Проєктування геотермальних систем: вичерпний світовий довідник

Геотермальні системи використовують стабільну підземну температуру Землі для забезпечення опалення, охолодження та гарячого водопостачання для житлових, комерційних і промислових об'єктів. Цей посібник пропонує комплексний огляд принципів проєктування геотермальних систем та найкращих практик, орієнтованих на глобальну аудиторію з різними кліматичними умовами та енергетичними потребами.

Розуміння геотермальної енергії

Геотермальна енергія — це відновлюваний ресурс, що походить від внутрішнього тепла Землі. На відміну від сонячної чи вітрової енергії, геотермальна енергія доступна 24/7, 365 днів на рік, що робить її надійним і сталим джерелом енергії. Температура Землі залишається відносно постійною нижче певної глибини (зазвичай 2-3 метри), забезпечуючи стабільний поглинач тепла для охолодження та джерело тепла для опалення.

Типи геотермальних систем

Геотермальні системи загалом класифікуються на дві основні категорії:

Геотермальні теплові насоси (ГТН) або ґрунтові теплові насоси (ҐТН): Ці системи використовують Землю як джерело тепла взимку та як поглинач тепла влітку. Зазвичай вони використовуються для житлових і комерційних будівель.
Системи прямого використання геотермальної енергії: Ці системи використовують високотемпературні геотермальні ресурси безпосередньо для різних застосувань, таких як централізоване опалення, промислові процеси та обігрів теплиць.

Проєктування систем із геотермальними тепловими насосами (ГТН)

Системи ГТН є найпоширенішим типом геотермальних систем, що використовуються в усьому світі. Вони складаються з трьох основних компонентів:

Ґрунтовий теплообмінник (ҐТО): Мережа труб, закопаних під землею, в яких циркулює теплоносій (зазвичай вода або суміш води з антифризом).
Тепловий насос: Пристрій холодильного циклу, що передає тепло між ҐТО та будівлею.
Система розподілу: Мережа повітроводів або труб, що доставляє нагріте або охолоджене повітря чи воду по всій будівлі.

Проєктування ґрунтового теплообмінника (ҐТО)

ҐТО є критично важливим компонентом системи ГТН, і його конструкція значно впливає на продуктивність та ефективність системи. При проєктуванні ҐТО необхідно враховувати кілька факторів, зокрема:

Теплові властивості ґрунту: Теплопровідність та об'ємна теплоємність ґрунту або породи, що оточує ҐТО. Ці властивості визначають, наскільки ефективно тепло може передаватися до ґрунту або від нього.
Температура ґрунту: Непорушена температура ґрунту на глибині розташування ҐТО. Ця температура залежить від місцевості та глибини.
Навантаження на опалення та охолодження будівлі: Кількість енергії на опалення та охолодження, що потрібна будівлі.
Конфігурація ҐТО: Тип ҐТО (горизонтальний, вертикальний або ставковий/озерний) та його схема розташування.
Теплоносій: Тип рідини, що циркулює в ҐТО (вода, суміш з антифризом або холодоагент).

Типи ґрунтових теплообмінників

Існує кілька типів конфігурацій ҐТО, кожна з яких має свої переваги та недоліки:

Вертикальний ҐТО: Складається з однієї або декількох свердловин, пробурених у землі, з U-подібними трубами, вставленими в них. Вертикальні ҐТО підходять для ділянок з обмеженою площею. Приклад: Вертикальний ҐТО, встановлений у густонаселеному міському районі в Токіо, Японія.
Горизонтальний ҐТО: Складається з труб, закопаних горизонтально в траншеях. Горизонтальні ҐТО вимагають більшої площі, ніж вертикальні, але зазвичай дешевші в установці. Приклад: Горизонтальний ҐТО, встановлений на великій заміській ділянці в Альберті, Канада.
Ставковий/Озерний ҐТО: Складається з труб, занурених у ставок або озеро. Ставкові/озерні ҐТО є найекономічнішим варіантом за наявності відповідної водойми. Приклад: Ставковий ҐТО, що використовується для опалення та охолодження курорту на березі озера у Швейцарії.
Спіральний (Slinky) ҐТО: Використовує спірально звиті труби в горизонтальній траншеї для збільшення площі поверхні теплообміну. Це дозволяє зменшити глибину траншеї та використовувати меншу площу землі порівняно з прямими горизонтальними контурами.

Аспекти проєктування ҐТО

Теплопровідність ґрунту: Точне визначення теплопровідності ґрунту є вирішальним. Це можна зробити за допомогою тестування термічного відгуку (ТТВ). ТТВ включає циркуляцію нагрітої рідини через тестову свердловину та вимірювання зміни температури з часом.
Відстань між свердловинами: Для вертикальних ҐТО правильна відстань між свердловинами є важливою для запобігання тепловій інтерференції між ними. Оптимальна відстань залежить від теплових властивостей ґрунту та глибини свердловин.
Матеріал труб: Поліетилен високої щільності (ПВЩ) є найпоширенішим матеріалом для труб ҐТО завдяки його довговічності, гнучкості та стійкості до корозії.
Тампонажний матеріал: Кільцевий простір свердловини (простір між трубою та стінкою свердловини) слід заповнювати термопосиленим тампонажним розчином для покращення теплопередачі та запобігання забрудненню ґрунтових вод.

Вибір теплового насоса

Тепловий насос відповідає за передачу тепла між ҐТО та будівлею. Вибір теплового насоса залежить від навантажень на опалення та охолодження будівлі, конструкції ҐТО та бажаної продуктивності системи.

Типи теплових насосів

Теплові насоси "вода-повітря": Ці теплові насоси передають тепло між ҐТО та системою повітряного розподілу будівлі. Вони зазвичай використовуються для систем примусового повітряного опалення та охолодження.
Теплові насоси "вода-вода": Ці теплові насоси передають тепло між ҐТО та гідравлічною системою розподілу будівлі (наприклад, тепла підлога, радіаторне опалення). Вони також можуть використовуватися для забезпечення гарячого водопостачання.
Теплові насоси прямого обміну (DX): У цих теплових насосах холодоагент циркулює безпосередньо через ҐТО. Системи DX ефективніші, ніж системи з водяним джерелом, але більш схильні до витоків і вимагають ретельнішої установки.

Потужність та ефективність теплового насоса

Потужність теплового насоса повинна відповідати навантаженням на опалення та охолодження будівлі. Завищена потужність насоса може призвести до коротких циклів роботи та зниження ефективності, тоді як занижена може призвести до недостатнього опалення чи охолодження.

Ефективність теплового насоса вимірюється коефіцієнтом перетворення (COP) для опалення та коефіцієнтом енергоефективності (EER) для охолодження. Вищі значення COP та EER вказують на більшу ефективність.

Проєктування системи розподілу

Система розподілу доставляє нагріте або охолоджене повітря чи воду по всій будівлі. Конструкція системи розподілу залежить від типу теплового насоса та планування будівлі.

Системи повітряного розподілу

Для теплових насосів "вода-повітря" система розподілу складається з мережі повітроводів та решіток, що доставляють кондиціоноване повітря по всій будівлі. Повітроводи повинні бути правильно розраховані та ізольовані для мінімізації втрат енергії.

Гідравлічні системи розподілу

Для теплових насосів "вода-вода" система розподілу складається з мережі труб, що циркулюють нагріту або охолоджену воду по всій будівлі. Гідравлічні системи можуть використовуватися для теплої підлоги, радіаторного опалення та фанкойлів.

Проєктування систем прямого використання геотермальної енергії

Системи прямого використання геотермальної енергії застосовують високотемпературні геотермальні ресурси безпосередньо для різних потреб, таких як централізоване опалення, промислові процеси та обігрів теплиць. Ці системи зазвичай вимагають наявності геотермальної свердловини для доступу до гарячої води або пари.

Проєктування геотермальної свердловини

Конструкція геотермальної свердловини залежить від глибини та температури геотермального ресурсу, необхідної швидкості потоку та геологічних умов. Обсадна колона свердловини повинна бути розрахована на високі температури та тиск геотермального флюїду.

Проєктування теплообмінника

Теплообмінник використовується для передачі тепла від геотермального флюїду до споживача. Тип теплообмінника залежить від температури та складу геотермального флюїду, а також від вимог конкретного застосування.

Проєктування системи розподілу

Система розподілу доставляє нагрітий флюїд до кінцевих споживачів. Конструкція системи розподілу залежить від розміру та схеми системи централізованого опалення або промислового об'єкта.

Глобальні аспекти в проєктуванні геотермальних систем

Проєктування геотермальних систем повинно враховувати різні глобальні фактори, зокрема:

Клімат: Різні кліматичні умови мають різні потреби в опаленні та охолодженні. Конструкції ҐТО повинні бути адаптовані до конкретних кліматичних умов для забезпечення оптимальної продуктивності. Наприклад, у холоднішому кліматі може знадобитися більший ҐТО для забезпечення достатнього опалення. У теплішому кліматі акцент може зміститися на ефективне відведення тепла.
Геологія: Геологічні умови, такі як тип ґрунту, тип породи та рівень ґрунтових вод, значно впливають на проєктування та встановлення ҐТО. Наприклад, скелясті ґрунти можуть вимагати дорожчих технологій буріння для вертикальних ҐТО.
Нормативні вимоги: Проєктування та встановлення геотермальних систем регулюються різними нормами, які відрізняються залежно від країни та регіону. Важливо дотримуватися всіх застосовних норм для забезпечення безпеки та захисту навколишнього середовища. Приклад: Деякі європейські країни мають суворі норми щодо використання холодоагентів у теплових насосах.
Вартість: Вартість проєктування та встановлення геотермальної системи може значно варіюватися залежно від місця розташування, типу системи та складності проєкту. Перед початком геотермального проєкту слід провести ретельний аналіз витрат і вигод.
Сталість: Геотермальні системи є за своєю суттю сталими, але важливо враховувати довгостроковий вплив системи на навколишнє середовище. Наприклад, використання антифризу в ҐТО слід мінімізувати, щоб запобігти забрудненню ґрунтових вод.
Джерела енергії та їх вартість: Економіка геотермальних систем тісно пов'язана з вартістю та доступністю традиційних джерел енергії. У регіонах з вищими тарифами на електроенергію/викопне паливо можна спостерігати вищу рентабельність інвестицій у геотермальні установки.

Приклади геотермальних систем у світі

Ісландія: Ісландія є світовим лідером у галузі геотермальної енергії, значна частина її потреб в електроенергії та опаленні задовольняється за рахунок геотермальних ресурсів. Системи прямого використання геотермальної енергії широко використовуються для централізованого опалення, теплиць та аквакультури.
Сполучені Штати: США мають великий геотермальний потенціал, а ГТН широко використовуються для опалення та охолодження житлових і комерційних будівель. Геотермальне поле Гейзерс у Каліфорнії є найбільшим у світі комплексом з виробництва геотермальної електроенергії.
Нова Зеландія: Нова Зеландія має багаті геотермальні ресурси і використовує їх для виробництва електроенергії, промислових процесів та туризму. Роторуа є популярним туристичним напрямком, відомим своїми геотермальними атракціями.
Італія: Італія була однією з перших країн, що почали використовувати геотермальну енергію для виробництва електроенергії. Геотермальне поле Лардерелло виробляє електроенергію з 1913 року.
Кенія: Кенія є провідним виробником геотермальної енергії в Африці. Геотермальні електростанції відіграють все важливішу роль у задоволенні зростаючого попиту на електроенергію в країні.
Франція: Франція використовує геотермальну енергію для централізованого опалення в різних містах. Паризький басейн є значним геотермальним ресурсом.

Програмне забезпечення та інструменти для проєктування геотермальних систем

Для допомоги в проєктуванні геотермальних систем доступно кілька програмних інструментів, зокрема:

GLD (Ground Loop Design): Програмний комплекс для проєктування ҐТО.
EES (Engineering Equation Solver): Загальний розв'язувач рівнянь, який можна використовувати для моделювання геотермальних систем.
TRNSYS: Програма для моделювання перехідних процесів у системах, яку можна використовувати для симуляції продуктивності геотермальних систем.
GeoT*SOL: Програмне забезпечення, розроблене спеціально для симуляції та аналізу геотермальних систем.

Найкращі практики проєктування геотермальних систем

Для забезпечення успіху геотермального проєкту важливо дотримуватися найкращих практик проєктування, зокрема:

Провести ретельну оцінку ділянки: Оцінити теплові властивості ґрунту, геологічні умови та навантаження на опалення й охолодження будівлі.
Вибрати відповідну конфігурацію ҐТО: Обрати конфігурацію ҐТО, яка найкраще підходить для умов ділянки та енергетичних потреб будівлі.
Спроєктувати ҐТО для оптимальної продуктивності: Правильно розрахувати розмір ҐТО та вибрати відповідні матеріали для труб і тампонажу.
Вибрати високоефективний тепловий насос: Обрати тепловий насос з високими показниками COP та EER.
Спроєктувати систему розподілу належного розміру: Переконатися, що система розподілу правильно розрахована та ізольована для мінімізації втрат енергії.
Дотримуватися всіх застосовних норм: Переконатися, що проєкт та монтаж геотермальної системи відповідають усім чинним нормам.
Контролювати продуктивність системи: Здійснювати моніторинг продуктивності системи, щоб переконатися в її ефективній роботі.

Майбутнє геотермальної енергії

Геотермальна енергія є перспективним відновлюваним джерелом енергії, здатним відігравати значну роль у задоволенні глобальних енергетичних потреб. З розвитком технологій та зниженням витрат геотермальні системи стають все більш привабливими для широкого спектра застосувань. Подальші дослідження та розробки мають вирішальне значення для подальшого підвищення ефективності та доступності геотермальних систем і для розкриття повного потенціалу цього цінного відновлюваного ресурсу.

Висновок

Проєктування геотермальних систем — це складний процес, що вимагає ретельного врахування різних факторів, включаючи теплові властивості ґрунту, навантаження на опалення та охолодження будівлі, кліматичні умови та нормативні вимоги. Дотримуючись найкращих практик та використовуючи відповідні програмні інструменти, можна проєктувати та встановлювати ефективні та сталі геотермальні системи, які можуть забезпечити значну економію енергії та зменшити викиди парникових газів. Цей комплексний посібник надав основу для розуміння принципів проєктування геотермальних систем та їх застосування в різноманітних глобальних контекстах. Не забувайте консультуватися з кваліфікованими фахівцями з геотермальної енергетики для проєктування та монтажу з урахуванням специфіки вашого об'єкта.