Razvoj i primjena dizalica topline povezanih s tlom

Korištenje dizalica topline povezanih s tlom (plitkih geotermalnih potencijala) bilježi jedan od najbržih porasta u području primjene obnovljivih izvora energije, mjereno brojem  instaliranih jedinica u svijetu. Procjenjuje se da je u svijetu instalirano 1,7 milijuna geotermalnih dizalica topline s tlom ili vodom kao izvorom topline, učinka grijanja 18 GW, [1] Ovakvi su sustavi široko prihvaćeni u tehnološki razvijenim zemljama, primjerice u Švedskoj, SAD, Njemačkoj, Švicarskoj, Austriji, Francuskoj. Ekspanziju broja instaliranih dizalica topline povezanih s tlom koja je zadnjih godina prisutna u mnogim europskim zemljama, a koja se očekuje i u Hrvatskoj, treba pratiti zaštita podzemnih tokova vode, stručnost u projektiranju i izvedbi sustava. Za kvalitetnu primjenu navedene tehnologije neophodni su tehnički propisi koji se odnose na učinkovitost i sigurnost dizalica topline, zaštitu okoliša, smjernice za dobivanje dozvole za gradnju, te certifikacija bušača i izvođača radova.

k34-Vladimir-Soldo-00-200.jpg

  1. UVOD

Dizalice topline se smatraju visokoučinkovitim uređajima za grijanje i hlađenje različitih objekata. Primjenjuju se u svim veličinama, od onih najmanjih, npr. za grijanje i hlađenje stanova, pa sve do sustava koji poslužuju čitava naselja. Najviše se koriste za niskotemperaturne sustave grijanja, s temperaturom polaznog voda već od 35 °C u slučaju površinskih grijanja, te s temperaturom polaznog voda do 55 °C kod zagrijavanja PTV.
Kod grijanja objekata, učinkovitost dizalica topline značajno ovisi o vrsti izvora topline. Dizalice topline koje su povezane s tlom imaju značajno veći toplinski množitelj od npr. dizalica topline koje koriste zrak kao izvor topline. Slično je i kod hlađenja objekata, kada tlo služi kao ponor topline.
1.inddDizalice topline povezane s tlom plitkih geotermalnih potencijala koriste toplinu zemljine kore u većini slučajeva do 200 dubine. Izvedbe su moguće u otvorenoj i zatvorenoj izvedbi. Otvorene izvedbe koriste podzemne ili površinske vode kao izvor/ponor topline na dizalici topline. Zatvorene izvedbe koriste tlo kao izvor/ponor topline. Izmjenjivač se u tlo polaže u horizontalnoj, spiralnoj ili vertikalnoj izvedbi. Najveći broj izvedenih sustava je s bušotinskim izmjenjivačima topline (BIT) u vertikalnoj izvedbi. Procjenjuje se da je u Europskoj Uniji krajem 2008. godine bilo ugrađeno više od 800.000 BIT ukupne snage 8,92 GW. U Tablici 1 dani su primjeri najvećih polja bušotinskih izmjenjivača topline u Europi.

  1. OPĆENITO O KOMPRESIJSKIM DIZALICAMA TOPLINE

Dizalica topline posreduje u prijenosu topline između dva toplinska spremnika: niskotemperaturnog, kojem se toplina odvodi, te visokotemperaturnog, kojem se ta toplina dovodi, uvećana za snagu kompresora. U dizalicama topline (većinom kompresijskim) odvija se ljevokretni kružni proces, u kojem radna tvar posreduje u prijenosu topline između toplinskih spremnika.
1.inddSustav dizalice topline sastoji se od tri kruga: kruga izvora topline, kruga radne tvari i kruga ponora topline, koje za slučaj grijanja objekta prikazuje Slika 1. Kod otvorenih sustava podzemna voda nastrujava neposredno preko isparivača dizalice topline. Kod sustava s izmjenjivačem topline u tlu kao posrednik u prijenosu topline u zatvorenom krugu struji glikolna smjesa, povezujući izmjenjivač topline u tlu s isparivačem radne tvari. Ogrjevni mediji grijanog objekta, koji u ovom slučaju za dizalicu topline predstavlja ponor topline, mogu biti voda ili zrak.  Voda se koristi u slučaju primjene površinskih sustava grijanja, ventilokonvektora ili radijatora. U nekim slučajevima, umjesto vode, zrak se zagrijava neposredno na kondenzatoru dizalice topline i razvodi po objektu putem kanala za zrak.
Moguće su i izvedbe sustava s isparivačem koji je direktno položen horizontalno u tlo. Za sada takvi sustavi nisu razvijeni u mjeri koja bi omogućila njihovu praktičnu primjenu.
Dizalica topline može raditi u režimu hlađenja i režimu grijanja. Ugradnjom četveroputnog ventila u krug radne tvari isti se uređaj može prilagoditi i za rad u režimu hlađenja. U tom slučaju ponor topline postaju tlo, podzemna voda ili okolišnji zrak, dok se toplina hlađenog prostora odvodi na isparivaču dizalice topline posredstvom zraka ili vode/glikolne smjese.

  1. DIZALICE TOPLINE POVEZANE S TLOM

k34-Vladimir-Soldo-11-300.jpgU zemljama s dugom tradicijom u razvoju i primjeni dizalica topline povezanih s tlom – geotermalne dizalice topline (engl. Ground Source Heat Pump, skraćeno GSHP), Švedska, Njemačka, Švicarska, Austrija, za svaku instalaciju potrebno je ishoditi dozvolu nacionalnog ili odgovarajućeg regionalnog tijela nadležnog za zaštitu podzemnih voda ili općenito podzemlja. Nadležne institucije često rade mapiranje zemljišta, iz kojeg je vidljivo koji su tipovi dizalica topline povezanih s tlom dozvoljeni na pojedinim lokacijama. Slika 2 prikazuje mapu regije Hessen u Njemačkoj (www.hlug.de), na kojoj su zelenom bojom prikazane površine na kojima je dozvoljeno postavljanje bušotinskih izmjenjivača topline, skraćeno BIT (engl. Borehole Heat Exchanger, skraćeno BHE). Crveno su označena vodozaštićena područja, na kojima nije dozvoljeno bušenje.

k34-Vladimir-Soldo-04-300.jpg3.1 Bušotinski izmjenjivači topline
Vertikalna izvedba bušotine (Slika 3) u koju se ulaže izmjenjivač dubine 60 do 200 m, često je prihvatljiva u gusto naseljenim područjima, pogotovo na mjestima gdje je okoliš uređen, pri čemu dolazi do minimalnih promjena vanjskog izgleda okoline.
Koliko se topline može putem BIT dobivati iz tla ovisi o geološkom sastavu, poroznosti i vlažnosti tla, te izvedbi i mjestu polaganja izmjenjivača topline (Tablica 2).
Do sada provedena istraživanja, kao i u praksi instalirani sustavi, pokazuju da je temperatura tla na dubini od 2 m zimi otprilike 7 do 10 °C, a na većim dubinama, približno 100 m, je neovisna o atmosferskim uvjetima i kreće se između 10 do 15 °C.

Izmjenjivač topline (tvornički predmontiran) polaže se u tlo u dvije osnovne izvedbe:
– kao jednostruka ili kao dvostruka U cijev iz kvalitetnog polietilena visoke gustoće (klase PE100),
– kao koaksijalna cijev, pri čemu kroz unutarnju PE cijev struji hladni medij (smjesa vode i glikola), dok se zagrijani medij kroz vanjsku metalnu cijev vraća u isparivač.

1.inddBušotina s položenom cijevnom sondom najčešće se zapunjava specijalnim smjesama visoke toplinske vodljivosti, koje u svojem sastavu mogu imati bentonit, cement i kvarcni pijesak, često uz dodatak grafita za povećanje toplinske vodljivosti. Uloga ispune je osigurati što bolji kontakt s tlom, te onemogućiti vertikalno strujanje podzemnih vodotokova duž bušotine. U Skandinavskim zemljama gdje je tlo stjenovito prevladava praksa zapunjavanja bušotina vodom, pri čemu se radi zaštite bušotina zatvara s površinske strane.

Institucije koje su nadležne za zaštitu podzemlja postavljaju pred izvođače i investitore BIT sljedeće zahtjeve:

  • ispravno dimenzioniranje u skladu s važećim standardima (VDI 4640, SIA)
  • odabir odgovarajućeg BIT i pomoćnog materijala,
  • odabir odgovarajuće bušačke opreme,
  • izvođenje stručnog bušenja,
  • odabir kvalitetne ispune,
  • trenutno informiranje o mogućim problemima,
  • završno testiranje i upuštanje izmjenjivača u tlu u rad,
  • provjera nepropusnosti.

k34-Vladimir-Soldo-05-300.jpg3.2 Dizalice topline s podzemnim vodama
Temperatura podzemne vode u većini slučajeva iznosi od 10 do 12 °C i ovisi o dubini iz koje se voda crpi. Ova se temperatura tokom cijele godine neznatno mijenja, tako da je u slučaju dostupnosti i potrebne izdašnosti podzemna voda najpovoljnija kao izvor topline za pogon dizalice topline.
Za crpljenje podzemne vode potrebna su dva bunara, crpni i ponorni (Slika 4). Razmak između ovih bunara treba biti što veći, a po mogućnosti ne manji od 10 m. S obzirom da crpni bunar za cijelo vrijeme pogona treba davati dovoljnu količinu vode, njegova je izdašnost najvažnija za projektiranje ovakvog sustava s dizalicom topline.
Potopljena pumpa obično se ugrađuje do dubine 20 m, da bi se smanjili pogonski troškovi pumpe. Ispod pumpe, ostavlja se slobodna dubina bunara koja omogućuje nakupljanje pijeska i nečistoća.

Ovakvi sustavi s dizalicama topline predstavljaju najveći rizik s obzirom na zaštitu podzemnih vodotokova. Nadležne institucije postavljaju visoke zahtjeve za izvedbu i rad dizalica topline s podzemnim vodama:

  • izrada hidrogeološke preliminarne studije,
  • radove smiju izvoditi isključivo ovlašteni izvođači,
  • visoki zahtjevi za izradu bunara i filtracijskog sloja,
  • iskorištene podzemne vode moraju se utisnuti natrag u podzemlje,
  • površinska zaštitna kolona i poklopac za zaštitu od površinskih voda i kiše,
  • bunari se ne smiju izvoditi na cestama, ulazima ili parkirališnim prostorima,
  • omogućiti pristup za kontrolu bunara.

Podzemni bunari smiju se izvoditi samo nakon dobivanja dozvole koja se odnosi na zaštitu podzemnih vodotokova i dozvole koja se odnosi na gospodarenje s podzemnim vodama.

  1. ISKUSTVA U PROJEKTIRANJU I IZVEDBI

Prva iskustva pri projektiranju sustava dizalica topline s tlom kao toplinskim izvorom stečena su u Švedskoj krajem osamdesetih godina (Cleaesson i Eskilson). Prve empiričke vrijednosti koje su dane u švicarskim i njemačkim smjernicama za projektiranje bušotinskih izmjenjivača topline, početkom devedesetih godina, svele su se ne procijenjene vrijednosti učinka izmjenjivača topline u tlu  i nisu mogle biti pouzdana podloga za projektiranje.

1.inddTehnički propisi i norme u području dizalica topline povezanih s tlom (Tablica 3) mogu se podijeliti na više načina:

  • norme vezane za učinkovitost, sigurnost, dugotrajnost,
  • norme vezane uz zaštitu okoliša,
  • propisi i smjernice vezani uz dobivanje dozvola za gradnju, odnosno korištenje,
  • ovlašćivanje (certifikacija) bušača i izvođača radova.

Zemlje s dugom tradicijom projektiranja dizalica topline povezanih s tlom posjeduju nacionalne standarde koji nadopunjavaju europske norme. Najveći broj dizalica topline povezanih s tlom u današnje vrijeme projektiraju se i izvode u skladu s njemačkom smjernicom VDI 4640 [4], dio 1 i 2 (trenutno se obnavljaju). U Švicarskoj je u primjeni  standard SIA 384/6 koji se odnosi na BIT, a u pripremi su standardi u Velikoj Britaniji (HVAC TR330) i u Francuskoj (NF X 10/999).
1.inddEkspanzija broja instaliranih dizalica topline povezanih s tlom u posljednjih desetak godina u europskim zemljama imala je za posljedicu pojavu bušača i instalatera među kojima svi nisu bili dovoljno stručni. Iz navedenih razloga uvedeno je ovlašćivanje (certificiranje) izvođača radova s ciljem osiguravanja učinkovitosti i dugotrajnosti izmjenjivača u tlu, ali i samih dizalica topline.
Ovlašćivanje bušača provodi se u Njemačkoj, Švicarskoj i Švedskoj (Tablica 4).

  1. REZULTATI MJERENJA NA PILOT PROJEKTU NA FSB NAKON GODINU DANA

k34-Vladimir-Soldo-08-300.jpgKako je već navedeno u prethodnom poglavlju, dizalice topline tlo-voda ne mogu se promatrati kao stacionarni sustavi. Mjerenja na pilot projektu dizalice topline povezane s tlom koja su  provedena na Fakultetu strojarstva i brodogradnje Sveučilišta u Zagrebu, pokazuju da su promjene u tlu dinamičke prirode [5, 6]. Na nestacionarne toplinske promjene u tlu, pored sastava tla izuzetno je važan i utjecaj načina i vremena rada dizalice topline.

Na Slici 6. prikazani su rezultati mjerenja temperature tla po visini bušotine za vrijeme rada. Rezultati su dani za karakterističan režim rada (02. i 03. ožujka 2011.) s isprekidanim (intermitirajućim) radom uređaja (3+2+3+2+3 sata). Tijekom rada uređaja u prva tri sata, tlo koje okružuje BIT se hladi pa njegov učinak pada. Sljedeća dva sata uređaj je izvan uporabe, ne radi. U razdoblju prekida rada uređaja, tlo u blizini BIT se zagrijava („oporavlja“), temperatura tla raste. Isključenjem uređaja iz rada za vrijeme noći dolazi do značajnog oporavka bušotine, pri čemu iz sata u sat raste temperatura tla duž bušotine, što za posljedicu ima najveću učinkovitost uređaja pri njegovom ponovnom pokretanju u 07.00 sati sljedećeg dana.

  1. ZAKLJUČAK

Iskustva iz europskih zemalja pokazuju da će i u Hrvatskoj doći do ekspanzije u primjeni dizalica topline u sustavima grijanja. Postoji više faktora koji utječu na učinkovit rad dizalica topline povezanih s tlom, počevši od projektiranja preko izvođenja pa do načina rada. Mapiranje Hrvatske i izrada geoloških karti može značajno doprinijeti u boljem razumijevanju i određivanju očekivanih dobitaka od tla što je naročito važno u fazi projektiranju dizalica topline povezanih s tlom.

Nepoznavanje svojstava podzemlja i prirode prijelaznih pojava u njemu, mogu imati za posljedicu smrzavanje i pothlađivanje tla do iznimno niskih temperatura. Takve razvojne poteškoće i pogreške mogu se izbjeći stručnim pristupom što pokazuje praksa u zemljama s dugom tradicijom. Za kvalitetnu primjenu navedene tehnologije neophodno je korištenje tehničkih propisa koji se odnose na učinkovitost i sigurnost rada dizalica topline, zaštitu okoliša, smjernice za dobivanje dozvole za gradnju, te ovlašćivanje bušača i izvođača radova.

doc.dr.sc. Vladimir Soldo, dipl.ing.stroj.
doc.dr.sc. Miroslav Ruševljan, dipl.ing.stroj.

LITERATURA

  • Spitler J, Cullin J.: Misconceptions regarding design of ground-source heat pump systems, Proceedings of the World Renewable Energy Congress,
  • Eugster W. J., Sanner B., Technological Status of Shallow Geothermal Energy in Europe, Europen Geothermal Congress, Germany, 2007.
  • Sanner B., Development of Geothermal heat pumps, International Geothermal days, Slovakia 2009.
  • VDI Richtlinie 4640, Ground source heat pump systems, Part 2, Berlin, 2001.
  • Soldo, V; Ruševljan, M; Ćurko, T; Grozdek, M: Ground-source heat pump with a 100 m deep borehole heat exchanger – start up and first results, Sustainable Refrigeration and Heat Pump Technology Conference , VCH-2, Stockholm, 2010.

 Soldo, V; Ruševljan,  M; Ćurko, T; Grozdek, M: Ground source heat pump in cooling mode, Energija i okoliš, Opatija, 2010

PODIJELI