Подземна и подводна енергия за отопление на жилището

Подземна топлинна енергия за отопление на жилището

На пръв поглед изглежда привлекателно използването за отопление през зимата на топлината (+5 градуса по Целзий)на почвата на 5-10 метра дълбочина, ако температурата на въздуха е по-ниска от +5 градуса. Този алтернативен източник на енергия се използва като източник на топлина за популярните днес топлинни помпи. Но ефективността на работа на топлинната помпа с подземен топлообменник зависи много от свойствата на почвата, особено от нейната влажност и подземна вода.

Най-често правят топлообменниците под формата на подземни бетонни основи (underground concrete pillars), представляващи едновременно и фундамент на сградата (building fundament). Вътре в бетонните основи са поставени тръби с циркулиращ топлоносител. Чрез бетона се осъществява топлообмен (heat exchange) между тръбите и грунта.

Но топлопроводимостта* (thermal conductivity) на бетона е всичко на всичко 0,8 - 1,28 Вата/(метър * Келвин), топлопроводимостта на почвата е още по-малка: 0,17 - 1,13 Вата/(метър * Келвин). Пример: топлопроводимостта на дървесината е 0,04 – 0,4 Вата/(метър * Келвин)! А дървото се използва като материал за топлоизолация.

Ако топлинната помпа интензивно отнема топлина от почвата, то около бетонните основи-топлообменници (колони-теплообменници) може да се образува обвивка от замръзнала почва. За фундамента на сградата замръзването на почвата около него никак не е добре. При замръзването си почвата се разширява и раздробява основите, а след размразяването си се свива и разрохква. При замръзването на почвата фундаментът се изтласква нагоре, а след размръзяването пропада в "блатото".

За да не замръзва почвата около бетонните колони, тяханата площ трябва да бъде достатъчно голяма, съразмерна на мощността на топлинната помпа. По-точно: обемът на почвата, от който топлинната помпа черпи термална енергия, трябва да бъде достатъчно голям.

Така за увеличаване ефективността на топлобмена на топлинната помпа с почвата не бива да се намалява температурата на топлоносителя в тръбите, поставени във фундамента, а за да работи топлинната помпа ефективно е необходим добър топлообмен. С други думи за добър топлообмен е необходимо голямо количиство и дължина на фундаментните елементи топлообменници.

За селско семейно жилище, построено от леки и ефективни материали, направата на излишни фундаментни колони само допълнително ще оскъпят строителството. В резултат на това геотермална топлинна помпа би довела не до икономии, а до загуби.

Информация за размисъл:
топлопроводимост на леда* 1,6 - 2,2 Вата/(метър * Келвин). Т.е. не много по-лоша от тази на тежък бетон със стоманени топлопроводни елементи.

За това не е ли по-просто вместо ненужните и скъпи за обикновено жилище бетонни колони да се използва дълбока дупка с тръба-топлообменник, запълнена със замръзнала вода?

Ние не възнамеряваме да използваме описания тук начин за топлообмен между топлинна помпа и почвата, защото имаме възможност да направим малък изкуствен водоем с достатъчна дълбочина и течна подземна вода, от който ще се черпи термална енергия за топлинната помпа. Конвекционният топлообмен с течност (вода) е много по-ефективен от колкото с твърдо вещество.

* Вж. Таблица за топлопроводимост в Уикипедия - List of thermal conductivities

Използване на термалната енергия на водата от открито изкуствено езеро за отопление на жилището

Принципът на действие на водната топлинна помпа е същият както на въздушната топлинна помпа. Различни са само радиаторите топлообменници. Водният топлообменник най-често представлява обикновена тръба с дължина няколко метра, не по-дълга от 20 метра.

Опасността от замръзване на тръбния топлообменник е минимална, тъй като студената вода (+3...+4 degrees C) не пада на дъното, а обратното, стреми се към повърхността. От дъното съответно идва по-топла вода, затоплена от почвата. Съществува вероятност за измръзване на изкуственото езеро, и то цялото, до дъното.

Масата на водата в нашето малко изкуствено езеро планираме да бъде около 50 тона - диаметър около 5 метра, дълбочина малко повече от 2 метра. Ако мощността на топлинния поток от почвата към водата в езерото е недостатъчна, то за увеличаване на топлообмена ще се наложи на дъното на езерото да се изкопае (to excavate) кладенец. Но най-големият доставчик на топлина при нас ще бъде проточната вода от кладенец, в който водата попада от стръмния склон на платото с височина около 30 метра.

За намаляването на топлообмена между водата в изкуственото езеро-басейн и студения зимен въздух и за намаляване радиационното охлаждане може да се постели прозрачен или полупрозрачен сенник, подобно на оранжерия (green-house), или да се включи това езеро-басейн към зимната градина-парник. Така за затоплянето на водата в басейна може да бъде използвана и слънчевата енергия.

За увеличаване на потока слънчеви лъчи, падащи върху басейна, от северната му страна може да се постави отражател от плат за сенници с алуминиево фолио. За площта на изкуственото езеро и прилежащата му площ от 50 кв.метра през зимата през деня от слънчевия поток може да се добие мощност от 25 киловата.

Механичната енергия, необходима за работата на топлинната помпа може да бъде получена от енергията на вятъра - вж. статията Проблеми, свързани с използването на енергията на вятъра, проблеми на ветротурбините.

По този начин уютната зимна градина с декоративно мини-езеро, бар (закуска - пресни зеленчуци и риба от езерото), може да се превърне в голям източник на гореща вода за отопление на къщата.

2006-2007

първата публикация:
"Подземна и подводна топлинна енергия за отопление на жилището"
energy-saving.hit.bg/articles/underground_thermal_energy_for_house_heating.html