Cum funcționează calculatorul pentru pompa de căldură sol-apă
O pompă de căldură sol-apă (geotermală) extrage căldură de temperatură joasă din pământ printr-un circuit închis de țevi din plastic pline cu saramură, fie foraje verticale, fie colectoare orizontale îngropate în grădină, și o ridică la temperatura instalației de încălzire. Dimensionarea se reduce la trei întrebări legate între ele. Cât de mare trebuie să fie pompa de căldură? Câtă căldură va extrage din sol? Și cât de lung trebuie să fie colectorul, ca solul să nu se răcească de la an la an? Calculatorul le parcurge pe toate trei:
- Necesarul de căldură. Suprafața și nivelul de izolare (sau un consum anual cunoscut în kWh), plus apa caldă, simulate lună de lună pentru clima ta, pe intervale de temperatură. Este același motor de calcul ca în calculatorul pentru pompa de căldură aer-apă.
- Temperatura saramurii și COP-ul. Temperatura nealterată a solului se estimează ca temperatura medie anuală a aerului + 1,5 K sau o poți introduce tu. În sezonul de încălzire, saramura circulă cu 4–8 K sub această valoare, mai mult în lunile cele mai reci. COP-ul rezultă din temperatura saramurii și temperatura pe tur.
- Puterea pompei de căldură = pierderea de căldură de calcul la temperatura exterioară de calcul a localității + 10% pentru refacerea apei calde.
- Extracția din sol. Puterea de extracție = puterea termică × (1 − 1/SCOP). Împarte-o la puterea specifică de extracție din VDI 4640 pentru tipul tău de sol (interpolată pentru orele tale de funcționare la sarcină maximă) și obții lungimea forajului sau suprafața colectorului. Lungimea este apoi verificată față de o limită de energie anuală de 100 kWh pe metru pe an (60 kWh/m² la colectoarele orizontale), iar valoarea mai mare câștigă.
- Costurile forajului sau ale săpăturii și ale unității, costul de funcționare și o comparație cu o pompă de căldură aer-apă și cu o centrală pe gaz.
Formula
Exemplu de calcul: o casă de 180 m² în Berlin
Valorile implicite descriu o casă de 180 m² cu izolație medie, în Berlin, cu încălzire în pardoseală (tur la 35 °C) și apă caldă pentru patru persoane. Necesarul anual de căldură ajunge la circa 18.370 kWh, iar pierderea de căldură de calcul este de 7,0 kW la −9 °C, așa că programul alege o pompă de căldură sol-apă de 8 kW.
Cu o temperatură estimată a solului de 11,4 °C, COP-ul sezonier este 4,23; o pompă aer-apă în aceeași casă ar ajunge la circa 3,79. Pompa de căldură consumă circa 4.340 kWh de electricitate, ≈ 1.216 € pe an la 0,28 €/kWh. Asta înseamnă o economie de circa 141 € pe an față de aer-apă și de circa 825 € față de o centrală pe gaz cu randament de 90% (2.041 € la 0,10 €/kWh).
În fiecare an, sistemul extrage din sol circa 14.030 kWh. Într-un teren obișnuit (λ ≈ 2 W/mK), doar criteriul puterii de vârf ar da circa 130 m, la aproximativ 47 W/m, dar limita de energie anuală de 100 kWh/m urcă lungimea la 140 m, de exemplu două foraje de 70 m. La 70 €/m pentru foraj plus 12.000 € pentru unitate, costul estimat al instalării este de circa 21.800 €. Un colector orizontal ar avea nevoie, în schimb, de aproximativ 290 m² de teren. Emisiile de CO₂ ajung la circa 1,5 t pe an într-o rețea de 350 g/kWh, față de 3,7 t cu gaz.
Cum citești rezultatele
- Lungimea forajului / suprafața colectorului determină costul. Verdictul îți spune dacă o stabilește limita de energie sau criteriul de putere.
- Orele la sarcină maximă de peste ~2.400 h înseamnă sezoane de funcționare lungi (climat rece sau consum mare de apă caldă), așa că se aplică valori W/m mai mici.
- Economia față de aer-apă este ce cumperi cu banii suplimentari dați pe colectorul din sol. Împarte costul suplimentar de instalare la ea și obții o perioadă aproximativă de recuperare.
- Tabelul tipurilor de sol compară lungimile pentru fiecare geologie. Un studiu geotehnic sau datele forajelor din zonă îți spun care se aplică.
Valori tipice (VDI 4640, sisteme mici < 30 kW)
| Sol | Foraj W/m la 1.800 h | Foraj W/m la 2.400 h | Orizontal W/m² la 1.800 h |
|---|---|---|---|
| Pietriș / nisip uscat | < 25 | < 20 | 10–15 |
| Argilă / lut umed | 35–50 | 30–40 | 25–30 |
| Pietriș / nisip saturat cu apă | 65–80 | 55–65 | 35–40 |
| Calcar (masiv) | 55–70 | 45–60 | – |
| Gresie | 65–80 | 55–65 | – |
| Granit, gnais | 65–85 | 55–70 | – |
| Bazalt | 40–65 | 35–55 | – |
Sfaturi
- Fă un test de răspuns termic pentru sistemele de peste ~30 kW sau cu mai multe foraje. Măsoară conductivitatea reală a solului și poate scurta (sau lungi) câmpul de foraje cu 20–30%.
- Distanțează forajele la cel puțin 6 m. Mai aproape de atât, își fură căldura unul altuia.
- Păstrează temperatura pe tur scăzută. Încălzirea în pardoseală la 35 °C este terenul pe care pompa sol-apă strălucește; cu calorifere la 55 °C, avansul ei față de aer-apă se micșorează.
- Ia în calcul răcirea pasivă. Vara, dacă treci saramura prin pardoseală, obții răcire aproape gratuită și reîncarci parțial solul.
- Redu mai întâi necesarul cu calculatorul de economii din izolare. O pompă de căldură mai mică înseamnă un foraj mai scurt și mai ieftin.
Limitări
Puterile de extracție sunt orientative. Presupun că nu există un flux semnificativ de apă subterană (care le poate crește mult) și o execuție standard a forajului, cu sonde simple sau duble în U. Câmpurile de foraje învecinate, orele de funcționare foarte lungi, sarcinile de răcire și sistemele mari cer o simulare propriu-zisă (EED, GLHEPro sau tabelele MCS MIS 3005). Forajul cere de obicei o autorizație, mai ales peste 100 m sau în zonele de protecție a apelor. Costurile variază mult de la o țară la alta și în funcție de accesul pe teren, așa că introdu ofertele locale în opțiunile avansate.
Metodă și ipoteze
Necesarul de căldură și apa caldă se simulează lună de lună (pe intervale de temperatură), cu agentul glicolic intrând în pompa de căldură la Tground − 4 K − 4 K × (sarcina lunară ÷ sarcina de vârf). Pompa se dimensionează la pierderile de căldură de calcul + 10%. Puterea extrasă din sol = puterea pompei × (1 − 1/SCOP). Lungimea forajului = puterea extrasă ÷ rata specifică de extracție (W/m) pentru tipul de sol, interpolată între valorile VDI 4640 pentru 1.800 h și 2.400 h de funcționare la sarcină plină. Suprafața colectorului orizontal se calculează la fel, în W/m².
Întrebări frecvente
Cât de adâncă trebuie să fie forajul pentru o pompă de căldură sol-apă?
De câtă suprafață am nevoie pentru un colector orizontal?
Pompa de căldură sol-apă e mai bună decât cea aer-apă?
Cât costă o pompă de căldură sol-apă?
Ce este puterea specifică de extracție (W/m)?
Se poate îngheța colectorul din sol sau poate rămâne fără căldură?
Surse și referințe
- VDI 4640 Part 2: Thermal use of the underground: ground source heat pump systems
- MCS MIS 3005-D: Heat pump design standard (UK Microgeneration Certification Scheme)
- IEA Heat Pumping Technologies TCP
- US DOE: Geothermal heat pumps
Integrează acest calculator
Gratuit pentru bloguri, instalatori, școli și ONG-uri. Copiază codul de mai jos; se actualizează singur.