SCHIMBĂTORUL DE CĂLDURĂ CU PĂMÂNTUL - SURSA DE ENERGIE REGENERABILA

Drd. Ing. Geol. GALINA PRICĂ Universitatea Tehnică de ConstrucŃii Bucureşti, Facultatea de Instalatii, galina.prica@gmail.com

Prof.dr.ing. TARLEA GRATIELA-MARIA Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti, Facultatea de Instalatii, e-mail: mgtarlea2001@yahoo.com

ABSTRACT

This paper presents a technical and economical analyze of the ground heat exchanger (GHE) as a part of the modern renewable energy systems. Their function principle systems is the heat transfer between land where it is located and the fluid used in the PeHD pipes of installation. The choice of the GHE type is function of many factors that depend of the geographical area that suppose a specific minimum and maximum media temperature of a year. Also the area geology is important in choosing the GHE type and the length of this. The economical particularity and those of available area are important too. If it miss the specific instruments and soft is difficult and almost impossible to choose the right GHE.

Schimbătorul de căldură cu pământul este de fapt o instalaŃie de extracŃie sau injecŃie a energiei din sol. Acesta se leagă la o centrală geotermică în componenŃa căreia într una sau mai multe pompe de căldură, toate acestea constituindu-se într-un sistem de tip geoexchange.

Premizele geologice ale funcŃionării schimbătoarelor de căldură cu pământul

Energia geotermică (de la grecescul Geo care înseamnă pământ, şi termos în sensul de căldură) este energia extrasă din căldura înmagazinată în pământ. Aceasta energie geotermică provine de la formarea iniŃială a planetei, de la dezintegrarea radioactivă a mineralelor componente ale rocilor şi de la energia solară absorbită la suprafaŃă. Ea a fost folosită pentru încălzirea locuinŃelor şi a băilor comune încă de pe vremea romanilor, dar abia în zilele noastre ea a fost redescoperită şi reevaluată pe baze ştiinŃifice.

Temperatura din interiorul Pământului creşte în medie cu 1oC la 33 m. Există numeroase zone unde valoarea gradientului geotermic diferă considerabil faŃă de această valoarea medie. Spre exemplu în zonele unde platoul de rocă a suferit prăbuşiri rapide şi bazinul este umplut cu sedimente „foarte tinere” din punct de vedere geologic, gradientul geotermic poate fi mai mic, în timp ce în alte zone gradientul depăşeşte de câteva ori media; cazul zonelor unde scoarŃa este mult mai subŃire sau in apropierea intruziunilor magmatice6 (Fig.2). Aceste zone sunt adevărate rezervoare subterane, de energie geotermică de potenŃial ridicat, utilizabile în schimbătoare de căldură cu pământul.

DistribuŃia căldurii din interiorul pământului este ilustrată în Fig.1 respectiv Fig. 2.

Toate acestea fac, ca la 75 m adâncime temperatura să fie în medie de 12-15o C. Prin introducerea unui sistem de Ńevi prin care circulă, fie apă, fie apă cu glicol se preia căldura din roci, sau după caz, se cedează căldură.1 Acest sistem este de fapt schimbătorul de căldură cu pământul şi are marele avantaj că vara se poate folosi pentru răcirea încăperilor, iar iarna pentru încălzire. Agentului folosit, pe lângă faptul că este neutru pentru climă, are proprietăŃi termodinamice excelente şi un nivel ridicat de eficienŃă economică.2 Având în vedere importanŃa tot mai mare ce este atribuită eficienŃei energetice şi protejării resurselor, sectorul climatizării de acest tip va tinde să se dezvolte exponenŃial.

Fig.2 DistribuŃia fluxului de căldură, surse de căldură din interiorul Pământului8

Bazele teoretice ale transferului de căldură dintre sol şi sistemul de climatizare

Este important de stiut faptul ca fiind vorba de existenŃa unui gradient geotermic şi presupunând că rocile au o abilitate finită de a conduce căldura, pământul va ceda căldură dinspre interiorul său către exterior prin conductie ( Legea lui Fourier)

zAQ∂∂

=θ

λ 1.1

Unde: Q – fluxul de căldură [W] λ – conductivitatea termică[Wm-1K-1] A – aria secŃiunii [m2] θ – temperatura [K] Din legea lui Newton se cunoaste faptul ca:

( )fluidcorphq θθ −⋅=

_* 1.2

Unde: *q – transferul de căldură de la corp (rocă) spre fluid [W/m2]

_

h – coeficient de transfer de caldura convectiv [W/m2K]

fluidθ – temperatura fluid [K]

corpθ – temperatura corp [K]

Schimbătorul de căldură cu pamântul - detalii constructive

Schimbătorul de căldură cu pământul este de fapt o instalaŃie de extracŃie sau injecŃie a energiei din sol. Poate fi cu captatori (colectoare) orizontali sau captatori verticali amplasaŃi în puŃuri. Proiectarea lui constă în alegerea corectă a tipului şi configuraŃiei acestuia. Nu există nici un schimbător perfect şi imuabil, ci problema este de a găsi o modalitate de alegere a celui mai potrivit schimbător aferent zonei în care acesta va fi amplasat, care să asigure eficienŃă energetica maximă cu costuri minime. 1

Fig.3 Principalele tipuri constructive de schimbătoare de de căldură

Alegerea configuraŃiei 1 Există mai multe tipuri constructive de schimbătoare de căldură cu pământul aşa cum este ilustrat şi în figura 3.

ConfiguraŃiile posibile ale schimbătorul de căldură cu pământul sunt următoarele fig. 4,5,6: 1.a – orizontal 2.a – în serie b – vertical b – în parallel 1.a Sisteme orizontale Sistemele orizontale pot fi colectoare de sol, de şanŃ, cu spire.

Fig. 4. Tipuri de colectoare orizontale: a) Colector de sol, b) Colector orizontal în spirală, c) Colector orizontal de şanŃ

Instalarea colectoarelor se face în plan orizontal pe o suprafaŃă netedă şi plană sau cu o uşoară înclinare laterală (în pantă) şi în sens invers pantei, la o adâncime cuprinsă între 1.2 - 1.7 m fiecare Ńeavă trasă având aceeaşi lungime (cca. 100 m) pentru ca diferenŃa de presiune să fie aproape egală (pentru o captare echilibrată a energiei). Calculul energiei disponibile se face după relaŃia:

( )R

ttLQ

wg

c

−=

Unde: Qc, – energia disponibilă L – lungimea conductelor

gt – temperatura pământului

wt – temperatura fluidului

R – rezistenta termică Tabelul 1. Energia posibil a fi extrasă din sol prin montarea colectorelor orizontale

Calitatea solului DistanŃa între

colectoare Puterea specifică

de extragere

(cm) W/m2

Uscat necompactat 50 10

Umed compactat 50 20 - 30

Ud necompactat (nisip, pietriş)

80 40

a) b) c)

1.b – Sistem vertical Colectoarele verticale prezintă avantajul reducerii suprafeŃei ocupate de colectori şi posibilitatea captării unei cantităŃi mult mai mari de energie urmarea “efectului” gradientului geotermic şi datorită căruia temperatura creşte cu 1o C la 33 m. 11

Tabelul 2. Energia posibil de extras din sol prin montarea captatorilor verticali orizontali

Calitatea solului Distanta intre

colectoare Puterea specifică

de extragere

(cm) W/m2

Sedimente uscate 50 30

Ardezie, bazalt 50 55

Rocă densă (conductivitate termică ridicată)

50 80

Roci cu circulaŃie ridicată de ape subterane

100

Adâncimea sondei este limitată doar de caracteristicile de ordin economic; în general ele având între 75-150 m. DistanŃa între puŃuri trebuie să fie de cel puŃin 5 m. Volumul agentului de lucru pentru captarea energiei se calculează cu formula:

tC

PG sol

∆=3600

Unde: Рsol – puterea de extragere a căldurii din sol (kW) Cp – caldura specifică a agentului de lucru (KJ/Kg K) 2.a - Colectoare în serie Fig. 5

În alegerea corectă a tipului de schimbător trebuie se Ńine seama de: suprafaŃa disponibilă, de tipul de roci şi transferul de căldură pe care acestea îl pot face, costurile de excavare sau de foraj. Atunci când este vorba de o casă privată, unde suprafaŃa disponibilă este mai generoasă, iar rocile nu sunt din cele mai dure, soluŃia optimă este cea cu colectoare orizontale în sistem multiŃeavă.

Când suprafaŃa disponibilă este redusă şi este constituită din roci dure se vor face colectoare verticale.

Sistemele vertical serial nu pot avea decât o singură trecere şi ca atare ele sunt de departe cele mai neperformante.

Fig. 5 Colector vertical serial

Sitemul în serie orizontal (orizontal serial) are avantajul că se poate executa în etape, nefiind necesar să se facă toată săpătura odată ci pe tronsoane, adâncimea de excuŃie mica, de aproximativ 2m, presupune costuri scazute.

Fig. 6 Colector orizontal serial 2.b - Colectoare în paralel

Colectoarele orizontal paralele presupun costuri reduse la săparea şanŃurilor, dar trebuie mare atenŃie la asigurarea pantei pentru a se putea face eficient aerisirea sistemului (2/1000) Fig. 7.

Fig. 7.Colectoar orizontal paralel

La sistemele vertical paralele Fig. 8, deoarece se află dincolo de limita de îngheŃ, practic antigelul nici nu este necesar. Dezavantajul este că trebuie asigurat un echilibru între fiecare ramură paralelă tradusă prin bucle egale.

Fig. 8 Colector vertical paralel

Principalele elemente ale shimbătoarelor de căldură cu pământul sunt: - turul şi returul; destul de impropriu folosite aceste denumiri, mai degrabă corect ar fi către schimbător şi de la schimbător. Capetele de tur şi retur sunt în general făcute din Ńeavă PeHD de diametre mai mari pentru a minimiza căderile de presiune. - buclă; este porŃiunea de Ńeavă ce coboară în puŃ sau după caz, în şanŃ şi apoi se leagă la retur. - retur inversat; o Ńeavă care face posibil ca fiecare buclă să aibe aceeaşi presiune de intrare şi ieşire. Se foloseşte pentru a anula efectele pierderilor de presiune de-a lungul liniilor de cap. - curba U; un fiting de 180 o folosit numai în bază puŃului pentru a asigura returul fluidului. O altă clasificare a schimbătoarelor de căldură cu pământul este aceea în funcŃie de numărul de Ńevi folosite în sistem: Orizontal – cu o singură Ńeavă Vertical – cu o singură Ńeavă U – cu două Ńevi – cu două Ńevi U – cu patru Ńevi Selectarea tipului de Ńeavă Schimbătorul de căldură cu pământul se realizează din Ńeavă de polietilenă de înaltă densitate (PeHD), SDR 11. Există şi soluŃii constructive care folosesc Ńeava de cupru, iar adâncimea forajelor nu trece de 20-30 m. Diametrul optim trebuie să fie un compromis între căderea de presiune a fluidului şi performanŃele termice. Date fiind aceste deziderate cele mai uzitate diametre de Ńevi sunt: ¾, 1, 1 ¼, 1 ½, şi 2’.[6]

Estimarea lungimii schimbătorului de căldură În estimarea lungimii schimbătorului de căldură cu pământul trebuie să se Ńină seama de debitul de apă necesar pompei de căldură şi de tipul de circulaŃie al fluidului. Temperatura interiorului pământului şi conductivitatea termică pe fiecare tip de rocă în parte sunt parametrii extrem de importanŃi în calculul lungimii lui.3 Pentru aceasta se folosesc echipamente care pot determina temperatura solului şi apoi cu ajutorul unui soft specializat se face o prelucrare a datelor opŃinute şi se calculează conductivitatea termică. În lipsa acestor instrumente conductivitatea se poate determina ca valorea medie a conductivităŃilor fiecărui tip de rocă dacă se cunoaşte coloana stratigrafică a zonei (lesne de aflat fie prin studiul unor date din literatura geologică, fie prin analiza probelor de la saparea şanturilor respective, sau probelor de sită de la foraje).10 EcuaŃiile analitice pentru a estima tremperatura solului:[4],[5]

( ) XXEXPATtXT SSMS

−×−=2/1

365,

απ

−−2/1

0

365

2365

2cos

παπ SXtt

T(XS,t) – temperatura pământului la o adâncime în sol şi la timpul t din an TM – temperatura medie a pământului AS – variaŃia anuală a temperaturii solului α – difuzivitatea termică a solului, )/( CK s ρ

ρ – densitatea rocilor (densitatea medie) C – căldura specifică a rocilor (se ia o medie) t0 – numărul de zile cu temperatura minimă a suprafeŃei solului XS – adâncimea t – timpul

−×−=2/1

365απ

SSML XEXPATT

−×+=2/1

365απ

SSMH XEXPATT

TL – temperatura minimă anuală la adâncimea XS TH – temperatura maximă anuală la adâncimea XS

Apoi trebuie calculată diferenŃa între TL şi temperatura minimă de intrare a apei în pompa de căldură TMIN pentru încălzire în sezonul rece şi diferenŃa între TMAX şi temperatura maximă a pământului TH

MINLHD TTT −=

HMAXCD TTT −=

În lipsa unor instrumente specifice şi a unor softuri specializate toate calculele de dimensionare a unui schimbător de căldură cu pământul sunt extrem de laborioase. Lungimea schimbătorului trebuie calculată foarte strict pentru a evita ca sistemul să nu facă faŃă în vârfurile de sarcină sau supradimensionarea care ar presupune costuri mari şi greu de amortizat. 9, 12 Concluzii Aşadar nu există un schimbător perfect pentru orice situaŃie ci el se va alege în funcŃie de condiŃiile geologice specifice arealului, de necesarul de frig şi de încălzire in urma unui calcul de optim economic. Ca regulă generală variantele orizontale sunt mai puŃin costisitoare dar oferă resurse de energie termică mai mici şi necesită spaŃiu mai mare de amplasare. De asemenea unele dintre acestea gasindu-se în zona de îngheŃ a solului agentul folosit va trebui să aibă o cantitate mai mare sau mai mică de antigel (glicol) ceea ce va face ca transferul de căldură să fie mai slab. Variantele verticale sunt mai performante deoarece colectoarele se află sub zonă de îngheŃ şi agentul folosit este apa iar cantitatea de căldură posibil de extras este mai mare. Acestea au insa au dezavantajul unui un preŃ ridicat. Bibliografie: [1]. A History of Geothermal Energy in the United States, U.S.Department of Energy, Geothermal Technologies Program, 2007-09-10 [2]. Characteristics, Development and utilization of geothermal resources, Geo-Heat Centre Quarterly Bulletin (Klamath Falls, Oregon: Oregon Institute of Technology), 2009-04-16 [3]. Geysers and Energy american.edu, 2008

[4]. "Geothermal Heat Pumps, Four Plus Decades of Experience", Geo-Heat Centre Quarterly Bulletin (Klamath Falls, Oregon: Oregon Institute of Technology), Bloomquist, R. Gordon (December 1999) [5]. Geothermal (Ground Source) Heat Pumps, A World Overview, Geo-Heat Centre Quarterly Bulletin (Klamath Falls, Oregon: Oregon Institute of Technology), Lund, J.; Sanner, B.; Rybach, L.; Curtis, R.; Hellström, G. (September 2004) [6]. Geologie Stratigrafica si paleoecologie, prof. dr. doc. Nita Tataram, Editura tehnica, 1984 [7]. Pompes a chaleur, Gabriel Ivan, Bucuresti, Matrixrom1999, [8]. Modele geofizice ale alcatuirii geologice a Romaniei, Radu Botezatu, Editura Acdemiei RSR, 1982 [9]. Thermal conductivity from core and well log data A. Hartmann, V. Rath, C. Clauser, Department for Applied Geophysics, RWTH Aachen University, Lochnerstr 4-20, 52056 Aachen, Germany, 3 May 2005 [10]. The world heat data collection-1975, A.M Jessop, MA Hobart and JG Sclater, Geothermal Series nr. 5, Ottawa Canada 1976 [11]. An introduction to Thermogeology Ground Source Heating and Cooling, David Banks [12]. Closed-Loop/Ground Source Heat Pumps Systems - Installation Guide, International Ground Source Heat Pumps Association, Oklahoma State University, Stillwater, OK 74078