Геотермальные тепловые насосы — одна из «зеленых» технологий, способных решить проблему глобального потепления за счет сокращения выбросов углерода. Но, как и у большинства других возобновляемых источников энергии, у этого источника энергии есть свои проблемы. Люди, которые хотят использовать эту технологию, должны иметь хорошее представление о ней, чтобы избежать ненужных затрат и помочь предотвратить любое негативное воздействие на окружающую среду.
Геотермальные тепловые насосы
Геотермальные тепловые насосы (GHP), также называемые геообменом, работают путем обмена теплом с землей на глубине менее нескольких футов, где температура примерно постоянна круглый год.
Energy.gov объясняет типы GHP, используемые дома и на предприятиях.
- Замкнутая система имеет три типа. Они бывают горизонтальные, вертикальные и наземные. Они используют воду, смешанную с антифризом, циркулирующим по закрытым трубам, для обмена теплом с землей или водой. Теплообменник над землей передает тепло между его хладагентами и раствором антифриза в замкнутых контурах.
- Системы прямого теплообмена используют хладагенты непосредственно в подземных замкнутых контурах для теплообмена и не имеют промежуточного теплообменника.
- Системы с открытым контуром постоянно забирают воду из внешних источников, таких как колодцы или озера, для теплообмена и возвращают ее в виде сброса.
В отчете Орегонского университета (стр. 6) на Всемирной геотермальной конференции в 2015 году оценивается, что в США насчитывается 1,4 миллиона GHP, из них 90% – это системы с замкнутым контуром, и только 10% – системы с открытым контуром.
Общие проблемы
Хотя у геотермальных тепловых насосов есть несколько плюсов, есть и много минусов. Некоторые из них являются общими, а другие — системными проблемами.
Начальная стоимость
Все согласны с тем, что первоначальная стоимость установки GHP высока и ее трудно рассчитать , так как она зависит от размера дома/здания, насоса, почвы, климата и контура поля. Опытный подрядчик важен для обеспечения успешной установки.
Оценки частного предприятия Energy Homes для дома площадью 2500 квадратных футов показывают, что 6-тонная система с вертикальным контуром стоит 34 000 долларов, 5-тонный горизонтальный контур для лучистого отопления и охлаждения стоит 29 500 долларов, а 5-тонный горизонтальный контур в сочетании с затратами на солнечное отопление. 47 500 долларов.
Energy Homes разбирает проблему стоимости , говоря: «Это примерно вдвое больше, чем стоимость обычной системы отопления, охлаждения и горячего водоснабжения, но геотермальные системы отопления / охлаждения могут сократить счета за коммунальные услуги на 40–60%».
Отсутствие квалифицированных специалистов
Технология GHP сложна и требует знания различных аспектов. Союз обеспокоенных ученых отмечает , что многие системы отопления и охлаждения монтажники «не знакомы с технологией» , которая , в свою очередь , затрудняет его распространение и техническое обслуживание. Также трудно найти квалифицированных подрядчиков, способных установить системы GHP в определенных регионах страны, что еще больше увеличивает стоимость системы геотермального отопления.
Не самодельный проект
Министерство энергетики США не рекомендует рассматривать GHP как проект «сделай сам». Эта технология требует специальных ноу-хау во многих областях. Чтобы решить, какая система лучше всего подходит для дома или бизнеса, необходимо тщательно изучить такие факторы, как геология, гидрология, наличие земли, требования к отоплению и охлаждению и другие важные энергосберегающие устройства в доме. Не каждый может рассчитать оптимальный размер петлевого поля или насоса, необходимого для получения максимальной отдачи от этой системы.
Использование электроэнергии
Электричество необходимо для работы теплового компрессора в системах с замкнутым контуром и для перекачки воды в течение всего года в системах с открытым контуром, поэтому GHP не является полностью углеродно-нейтральным.
Проблемы с замкнутой системой
Системы с замкнутым контуром имеют общие недостатки, такие как влияние почвы на эффективность и наличие антифриза. Также присутствуют проблемы с петлей, связанные с горизонтальной или вертикальной ориентацией, а также проблемы с системами прямого теплообмена и системами прудов.
Типы почв
Аккумулирование и передача тепла лучше всего в тяжелых почвах, таких как глина или камень. Песчаные почвы не могут хранить или передавать много тепла, поэтому необходимы большие петлевые поля. Снижение влажности почвы ниже «12,5% оказывает разрушительное воздействие на производительность тепловых насосов», говорится в исследовании 2014 года, опубликованном в Energies (стр. 3), в то время как увеличение влажности почвы выше 25% улучшает теплопередачу. Таким образом, сухие почвы не подходят, особенно в системах прямого теплообмена.
Антифриз
Замкнутые системы используют для теплообмена воду с антифризом. В более старых моделях использовался метанол, который быстро испаряется и токсичен для людей и животных, поэтому сейчас он запрещен во многих частях США. Этанол не так токсичен, как метанол, но дорог. Опасения, что этиленгликоль может просочиться и загрязнить источники грунтовых вод, привели к тому, что этот тип антифриза также был запрещен для использования в геотермальных системах во многих штатах. Рассол (хлорид кальция) — хороший вариант, однако он вызывает коррозию, поэтому для него нужны мельхиоровые трубы. Пропиленгликоль не оказывает вредного воздействия на людей и окружающую среду.
Пока вода, смешанная с антифризом, циркулирует в замкнутом контуре, воздействие на окружающую среду отсутствует. Тем не менее, даже небольшие утечки могут быть опасными, поэтому лучше использовать антифризы с рассолом или пропиленгликолем.
Горизонтальная система
Технический Информационный бюллетень находит Горизонтальная система требует 1500-3000 квадратных футов земли на каждую тонну нагрева или охлаждения.
- Необходима большая площадь – эта земля позже пригодна только для садоводства, но не для расширения дома или другого строительства. Эти системы не подходят для модернизации, так как может не хватить места.
- Перепады температур. На небольшой глубине от 3 до 6 футов могут быть различия в температуре из-за времени года, глубины залегания и количества осадков, влияющих на эффективность, даже несмотря на то, что ограничение глубины снижает стоимость выемки грунта, которая является самой дорогой частью установки закрытого -петлевая система.
- Проблемы с почвой. Каменистые или неглубокие почвы не подходят для этих систем, и в этом случае необходимы вертикальные системы.
Вертикальная система
Это самая эффективная система, поскольку U-образные петли уходят в почву на глубину 150-450 футов, отмечается в Бюллетене технических новостей. Другие проблемы включают в себя:
- Расходы – U-образные петли и их глубина делают их самым дорогим из всех СГС системы.
- Требуются квалифицированный монтаж и оборудование. Кроме того, для бурения на такие глубины требуются квалифицированные бурильщики и специальное оборудование, доступное не везде.
Система прямого теплообмена (DX)
В DX используются медные трубы, заполненные хладагентами, закопанные на глубину от 4 до 6 футов под землю. Эта система является самой старой из всех моделей GHP и оказывает наибольшее воздействие на окружающую среду.
- Коррозия медных труб распространена в кислых почвах, поэтому DX не подходит для этих почв, объясняет участник Geo Exchange Forum . Чтобы предотвратить это, образцы почвы должны быть собраны на той глубине, на которой они будут установлены, для проверки на наличие высоких концентраций кислот, хлоридов, сероводорода, сульфатов или аммиака, что делает этап планирования дорогостоящим. Вместо ПВХ используется медь, так как она лучше проводит тепло.
- Хладагенты являются основной экологической проблемой с DX. Даже небольшие трещины могут высвободить их, что приведет к глобальному потеплению. В более ранних моделях использовались хлорфторуглероды (ХФУ) и гидрохлорфтороны (ГХФУ). Монреальский протокол запретил их использование , поскольку они повредили озоновый слой. Их заменители фторуглероды (ФУ) и гидрофторуглероды (ГФУ) могут вызывать глобальное потепление и запрещены Конвенцией Киотского протокола об изменении климата. В 2016 году Агентство по охране окружающей среды (EPA) выпустило рекомендации, направленные на поэтапный отказ от этих химических веществ, и признало их неприемлемыми. Агентство по охране окружающей среды также не рекомендует R410A, последний популярный хладагент, так как он также вызывает выбросы парниковых газов.
- Эксперты по экологическому строительству заявляют, что намеренный или случайный разлив загрязняющих окружающую среду хладагентов является незаконным.
В 2001 году ученые Орегонского университета (стр. 2) объявили системы DX опасными для окружающей среды и не рекомендуют их использовать. По данным Energy.gov, в некоторых частях США это запрещено из-за местных экологических ограничений.
Системы замкнутого цикла пруда
Замкнутые системы также могут использовать водоемы для теплообмена. Однако у них также есть несколько проблем.
- Согласно бюллетеню технических новостей, на мелководье наблюдаются колебания температуры, и есть вероятность, что трубопроводы в общественных источниках воды могут быть повреждены.
- По данным Energy.gov, полезны только пруды с требуемой минимальной глубиной и количеством воды. Вам нужно будет найти место для строительства с правильными условиями, чтобы использовать эту опцию.
Проблемы системы разомкнутого цикла
Открытые системы берут воду из колодца или мелководья, такого как озера и пруды. Как уже отмечалось, они не так часто используются в США, но люди все равно должны знать об их потенциальных недостатках.
- Согласно исследованию Энергетической программы Университета штата Вашингтон (стр. 5), недостаточный поток воды может возникнуть, если колодец, вырытый для петли, недостаточно глубок, или из-за чрезмерного забора воды из водоносного горизонта . Отложения забивают фильтры при отсутствии достаточного количества воды. В отчете Idaho Geothermal отмечается, что сезонный спрос на альтернативные виды использования, такие как разбрызгиватели летом, может повлиять на количество воды, доступной для теплового насоса.
- Качество воды не одинаково везде и круглый год. Мусор в озерах – проблема. Накипь из-за отложений извести от тяжелой воды требует обработки химическими веществами для удаления.
- По данным Энергетической программы Университета штата Вашингтон (стр. 5), биологический рост, в частности бактерии, трудно удалить после того, как он возник, без использования химикатов.
- В отчете о геотермальной энергии штата Айдахо рекомендуется найти подходящее место для сброса до установки системы подземных вод с открытым контуром. Песчаные почвы могут легко поглощать выбросы, но если почва твердая, дополнительная дрель для разгрузки может удвоить стоимость бурения, что сделает его таким же дорогим, как система с замкнутым контуром. Когда вода забирается из озер, сброс возвращается в нее.
- Согласно Energy.gov, также должны соблюдаться все местные ограничения в отношении сброса.
- Эксплуатационные расходы высоки, согласно исследованию Энергетической программы Университета штата Вашингтон (стр. 5), поскольку насосы должны работать круглый год, чтобы подавать воду в систему и выводить ее из нее. Их обслуживание также является серьезной проблемой.
- В случае колодцев необходимо учитывать местные экологические и водные ограничения, поскольку, согласно Бюллетеню технических новостей, доступная вода может быть ограничена.
- Колодцы со стоячими колоннами, которые качают воду из водоносного горизонта, могут понизить уровень грунтовых вод.
Есть ли светлая сторона?
Хотя может показаться, что геотермальные тепловые насосы сложны и дороги, у этой системы есть много преимуществ . Правительства и экологические некоммерческие организации, такие как Гринпис и Союз обеспокоенных ученых, продвигают геотермальную энергию. Поскольку производительность геотермальных тепловых насосов взаимосвязана со многими факторами окружающей среды, это не технология «подключи и работай». При выборе геотермальной системы анализ отдельных деталей зданий и территории для выбора правильной системы, а также правильное планирование и установка являются необходимыми шагами для получения наилучших результатов от этой технологии.