CalculatoareHărțiȚăriClasamenteComparațiiTehnologiiGhiduri Energy Explorer Parcuri solare și eoliene Glosar
Calculator · Încălzire și gaz

Calculator pompă de căldură geotermală: adâncime foraj, suprafață colector, SCOP și cost

Dimensionează o pompă de căldură sol-apă după necesarul tău de căldură: puterea în kW, metrii de foraj sau suprafața colectorului orizontal pentru solul ori roca ta (ratele de extracție VDI 4640), COP-ul sezonier, costul de funcționare și costul instalării, comparate cu o pompă aer-apă și cu gazul.

Link editabil de partajare Raport PDF personalizat Gratuit · fără cont

Rezultate

O pompă de căldură geotermală de 8 kW are nevoie de circa 140 m de foraj (2 × 70 m) în „Sol / rocă medie (λ ≈ 2 W/mK)”, la ~47 W/m. SCOP ≈ 4,23, iar costul de funcționare e cu 141 €/an mai mic decât la o pompă aer-apă. Lungimea e dictată de limita de energie anuală (~100 kWh pe metru pe an), nu de puterea de vârf, ca solul să nu se răcească de la an la an.
Lungimea totală a forajului
140m
2 foraje × 70 m · 47 W/m
Puterea pompei de căldură
8kW
pierderi de căldură de calcul 7 kW la -9 °C
COP sezonier (SCOP)
4,23
echivalent aer-apă: 3,79
Cost de funcționare
1.216 €
4.342 kWh de electricitate pe an
Economie față de aer-apă
141 €
Economie față de centrala pe gaz
825 €
gaz: 2.041 €/an la randament de 90%
Cost estimat cu instalare
21.818 €
colector 9.818 + pompă 12.000
Căldură extrasă din sol
14.026kWh/an
100 kWh pe metru de foraj
Ore la sarcină plină
2.296h/an
Căldură livrată anual
18.368kWh
CO₂ pe an
1,52t
față de 3,73 t cu gaz
Temperatura solului
11,4°C
Berlin, Germania
Electricitate lunară: geotermală vs aer-apă
Lungimea forajului după tipul solului

Tipuri de sol (rate de extracție orientative VDI 4640)

SolForaj W/m (1.800 h)W/m (2.400 h)Orizontal W/m² (1.800 h)Foraj necesar (m)Suprafață colector (m²)
Pietriș / nisip uscat252012293642
Argilă / lut umed453528166265
Pietriș / nisip saturat cu apă706038140234
Calcar (masiv)625230140244
Gresie726030140244
Granit / gnais756330140244
Bazalt524530140244
Sol / rocă medie (λ ≈ 2 W/mK)554525140293
  • Ratele de extracție sunt valorile orientative VDI 4640 pentru sisteme mici (< 30 kW), fără curgere de apă subterană. Pentru proiectul final, fă un test de răspuns termic și o simulare de tip EED/GLHEPro sau folosește tabelele MCS MIS 3005.
  • Lungimea forajului este cea mai mare dintre valoarea dată de puterea de vârf (W/m) și cea dată de limita de energie anuală de 100 kWh/m (60 kWh/m² la colectoarele orizontale). Forajele se fac de obicei la cel puțin 6 m unul de altul. Un colector orizontal cere teren liber de circa 1,5–2 ori suprafața încălzită.
  • Climă: Berlin, Germania. În sezonul de încălzire, agentul glicolic circulă cu ~4–8 K sub temperatura solului nealterat.

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:

  1. 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.
  2. 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.
  3. Puterea pompei de căldură = pierderea de căldură de calcul la temperatura exterioară de calcul a localității + 10% pentru refacerea apei calde.
  4. 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.
  5. 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

P_extracție = P_pc × (1 − 1/SCOP) L_foraj = max( P_extracție / q_W/m , E_extracție / 100 kWh/m·an ) A_orizontal = max( P_extracție / q_W/m² , E_extracție / 60 kWh/m²·an ) E_extracție = căldura livrată − electricitatea consumată COP = η × T_cond / (T_cond − T_saramură + 3 K) T_saramură = T_sol − 4 K − 4 K × (sarcina lunară / sarcina de vârf)

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?
O regulă practică des folosită este de 15–25 m de foraj pe kW de putere a pompei de căldură, într-un teren obișnuit. Pentru o casă tipică de 6–10 kW asta înseamnă 100–200 m, împărțiți de obicei în unul sau două foraje de 60–150 m. Roca cu conductivitate termică mare (granit, gresie) cere mai puțin; nisipul sau pietrișul uscat cer de două-trei ori mai mult.
De câtă suprafață am nevoie pentru un colector orizontal?
De regulă de 1,5–2,5 ori suprafața încălzită a casei, cu țevile îngropate la 1,2–1,5 m adâncime. O casă cu o pompă de căldură de 8 kW are nevoie de obicei de 250–400 m² de teren liber, neumbrit, într-un sol lutos și umed. Solul nisipos și uscat cere considerabil mai mult.
Pompa de căldură sol-apă e mai bună decât cea aer-apă?
Este mai eficientă, cu un SCOP de regulă de 4–5 față de 3–3,5, pentru că solul rămâne la 8–12 °C toată iarna, în timp ce aerul poate coborî sub −10 °C. Afară nu face zgomot și nu are cicluri de degivrare. Colectorul din sol adaugă însă 6.000–15.000 la costul instalării, așa că amortizarea față de o pompă aer-apă e adesea lungă, dacă necesarul de căldură nu e mare.
Cât costă o pompă de căldură sol-apă?
În Europa, un sistem casnic tipic costă circa 18.000–35.000 € instalat: 8.000–15.000 € pentru pompa de căldură și montaj, plus 50–100 € pe metru de foraj (sau 10–25 € pe m² pentru colectoarele orizontale). Subvenții ca Boiler Upgrade Scheme din Regatul Unit (7.500 £) și programul german BEG pot acoperi o parte mare din cost.
Ce este puterea specifică de extracție (W/m)?
Este puterea termică pe care un metru de foraj o poate extrage din sol în mod durabil. VDI 4640 dă valori orientative de la circa 20 W/m în pietriș uscat până la 70–85 W/m în granit sau gnais, pentru sisteme care funcționează 1.800 de ore pe an. Cu cât sistemul merge mai multe ore, cu atât valoarea e mai mică.
Se poate îngheța colectorul din sol sau poate rămâne fără căldură?
Dacă un câmp de foraje e prea scurt, solul din jur se răcește an de an, iar temperatura agentului (saramură) scade, ceea ce reduce COP-ul. De aceea proiectanții limitează și energia extrasă anual, la circa 100–120 kWh pe metru pe an pentru foraje. Calculatorul aplică ambele criterii, cel de putere și cel de energie.

Surse și referințe

  1. VDI 4640 Part 2: Thermal use of the underground: ground source heat pump systems
  2. MCS MIS 3005-D: Heat pump design standard (UK Microgeneration Certification Scheme)
  3. IEA Heat Pumping Technologies TCP
  4. US DOE: Geothermal heat pumps

Integrează acest calculator

Gratuit pentru bloguri, instalatori, școli și ONG-uri. Copiază codul de mai jos; se actualizează singur.