Geoterminis šildymas su vertikalias zondais

Geoterminio šildymo sistemų su vertikaliais zondais panaudojimas individualių gyvenamųjų namų šildymui, populiarėja ir Lietuvoje.

Šilumos siurblio veikimo schema
Geoterminio šildymo sistemų veikimo principas analogiškas šaldytuvų veikimui. Iš aplinkos šilumos šaltinio (paviršinio grunto ar gręžinio uolienos) gaunama šiluma (5 -12 0C) perduodama šilumos nešėjui (polipropilenglikoliui ar etilenglikoliui, atskiestam vandeniu santykiu 1/3), kuris kolektoriaus vamzdžių pagalba patenka į šilumokaitį – garintuvą. Šilumokaityje – garintuve šaltas skystis freonas, cirkuliuodamas uždaroje sistemoje, pasiima šilumą iš šilumos nešėjo (0 - + 12 0C), virsta garais, kompresoriaus pagalba suspaustas įkaista ir kitame šilumokaityje – kondensatoriuje, atiduoda šiluminę energiją (+35 - + 700C) vidaus šildymo sistemai (grindinis šildymas, radiatoriai, šildytuvai ), praeina per išsiplėtimo vožtuvą – droselį ir vėl virsta žemos temperatūros skysčiu, grįžta į šilumokaitį – garintuvą ir taip uždaras ciklas kartojasi ir kartojasi. Šio ciklo metu nuo 2/3 iki 3/4 išskirtos šilumos dalys – paimamos iš aplinkos šilumos šaltinio, o 1/3 - 1/4 – iš elektrinio kompresoriaus. Geoterminio šildymo sistemos pagrindinės sudėtinės dalys yra šilumos siurblys ir šilumos paėmėjas – vertikalus ar horizontalus kolektorius, vandens gręžinys ar išorinis oro modulis (oriniame šilumos siurblyje). Vienas iš pagrindinių veiksnių, įtakojančių geoterminio šildymo sistemos darbo efektyvumą yra lauko šilumos šaltinio pasirinkimas.

Geoterminio šildymo sistemos su horizontaliais paviršiniais kolektoriais

Geoterminio šildymo sistemos su horizontaliais paviršiniais kolektoriaisdėl savo pigumo yra bene populiariausios. Tai plonasieniai polietileno PE 40 mm diametro vamzdeliai, užpildyti neužšalančiu (iki - 14 0C) skysčiu. Jo įrengimas gana paprastas, tačiau efektyvumas, tam tikrais atvejais, abejotinas. Specialistų paskaičiavimais, iš 1 kv.metro grunto (paviršinės uolienos), pagal reikalavimus 1 - 1,5 m gylyje įrengto horizontalaus kolektoriaus pagalba, šiluminės galios galima išgauti sekančiai: sausas smėlinis gruntas qE = 10-15 W/m2; drėgnas smėlinis gruntas qE = 15-20 W/m2; sausas molingas gruntas qE = 20-25 W/m2; drėgnas molingas gruntas qE = 25-30 W/m2; vandeningas sluoksnis qE = 30-35 W/m2.
Kaip matome iš aukščiau pateiktų duomenų, jei paviršinis gruntas yra sausas smėlis, įrenginėti horizontalaus kolektoriaus nepatartina, nes jis nesuteiks reikalingo šilumos kiekio, o šilumos trūkumas bus kompensuojamas papildomai įrengtų elektros šildymo elementų pagalba. Horizontalus kolektorius taip pat turi neigiamos įtakos pasodintų augalų vegetacijai. Virš horizontalaus kolektoriaus nepatartina įrenginėti ir kelio dangos, nes horizontalus kolektorius turėtų būti kuo dažniau “maitinamas“ lietaus vandeniu. Taigi, įvertinus paviršinio grunto savybes, gruntinio vandens lygį, turimo sklypo plotą reikia pasirinkti tinkamą šilumos šaltinį: paviršinį gruntą ar giluminius uolienų sluoksnius.

Geoterminio šildymo sistemos su vertikaliais giluminiais kolektoriais

Giluminių sluoksnių šilumos panaudojimas įrengiant vertikalius kolektorius arba kitaip vadinamus šilumos gręžinius, visais atvejais patikimesnis, tačiau brangesnis būdas. Šilumos gręžinys – tai 150 - 200 mm diametro gręžinio skylė į kurią įleista U formos 40 mm arba 32 mm diametro politileno vamzdelių vienguba ar dviguba kilpa. Vamzdeliai užpildyti neužšąlančiu (iki -140C ) skysčiu; gręžinio skylė užpildyta bentonito-cemento suspencija (Vokietijoje) arba žvyru (Lietuvoje). Užpildant gręžinio skylę žvyru, būtina tinkamai izoliuoti vandeningus sluoksnius tarpusavyje ir nuo paviršinės taršos. Pagal siurblio galingumą apskaičiavus reikalingą gręžinių gylį ir įrengus juos pagal reikalavimus, iš šilumos gręžinio 1 m galima gauti 20-70 W šiluminės galios. Praktika rodo, kad lyginamas šilumos srautas pagal uolienas gręžiniuose vienam zondo metrui yra sekančiai: sausa smėlinga uoliena qE = 20 W/m; drėgna smėlinga uoliena qE = 40 W/m; vandens prisotintas uoliena qE = 60 W/m; vandeningas sluoksnis qE = 80 -100 W/m Vidutinis skaičiuotinas qE = 50 W/m. Populiariausias šilumos siurblys Lietuvoje yra 10 kW galingumo, tad tokio siurblio sklandaus veikimo užtikrinimui reikia dviejų 100 m gylio šilumos gręžinių. Šilumos gręžiniai turi būti išdėstyti vienas nuo kito ne mažesniu kaip 5 - 7 m atstumu. Gręžiniai užima sklype nedaug vietos, dažniausiai jie gręžiami iki 100 - 130 m gylio.

Geoterminio šildymo sistemos su vertikaliais giluminiais kolektoriais yra efektyviausias pasirinkimas lyginant su horizontaliais kolektoriais, tačiau jų įrengimo kaina yra kiek didesnė nei horizontalių kolektorių įrengimas, bet tai ilgainiui atsipirks del patikimo ir ekonomiškesnio siurblio veikimo. Uolienų temperatūra Lietuvoje giliau kaip 7 - 10 m yra santykinai pastovi ir siekia 7 - 9 laipsnių C, kai tuo tarpu paviršinio grunto iki 1m gylio temperatūra šalčiausiais mėnesiais ir be šilumos siurblio kolektoriaus poveikio nukrenta iki 0 C. Tokiu būdu, įrengiant šilumos siurblį su horizontaliu kolektoriumi, šilumos truks tada, kai labiausiai jos reikia, tai yra šalčiausiu žiemos periodu. Reikia atsiminti, kad kuo aukštesnė šilumos, paduodamos iš kolektoriaus, nešėjo temperatūra, tuo efektyvesnis siurblio veikimas. Paprastai šiuolaikiniai grunto ar giluminių uolienų maitinami šilumos siurbliai veikia, kol į siurblį atitekančio šilumos nešėjo temperatūra ne žemesnė kaip minus 3-5 laipsniai C.

Kiti šilumos šaltiniai geoterminiam šildymui, kaip oras ir artezinių gręžinių vanduo, nėra plačiai paplitę, nes nėra tinkami Lietuvos klimatinėms ir geologinėms sąlygoms. „Oras-vanduo“ šilumos sistemas, kai šiluma yra paimama iš oro, tiktų įrengti vakarinėje Lietuvos dalyje dėl ten vyraujančio jūrinio klimato. Likusioje šalies dalyje šis būdas nėra pakankamai efektyvus dėl žemyninio klimato. Kita vertus, klimatas šyla, žiemos tampa vis šiltesnės, todėl šis būdas gali būti viena iš alternatyvų su grunto šilumos šaltiniais. „Vanduo - vanduo“ sistemos, kai šiluma yra paimama iš požeminio vandens, kol kas nėra populiari. Tai dar brangesnė šildymo sistema, nes reikalingi du ar daugiau reikiamo debito vandens gręžiniai. Taip pat svarbu ir vandens cheminė sudėtis, nes šilumokaitis lengvai užanka (kalmatuojasi) geležies hidroksidu ir kitomis nuosėdomis iš vandens, o jo pakeitimas ar išvalymas nepigiai kainuoja. Kita šios šildymo sistemos problema, tai panaudoto požeminio vandens pompavimas atgal į vandeningą sluoksnį. Tam turi būti gręžiamas dar vienas ar keli vandens gręžiniai. Tačiau sugėrimo gręžiniai, dėl hidrogeologinių sąlygų, aukšto spūdinio vandens lygio, blogų filtracinių savybių ir netinkamos vandens cheminės sudėties, dėl ko iškrenta nuosėdos vandenyje ir greitai kalmatuojasi gręžinių filtrai, nepriima panaudoto vandens ir vandens perteklius veržiasi per gręžinio žiotis, užtvindydamas sklypą. Tad kaip matome šis būdas yra gana komplikuotas, dėl ko patariame įsirengti anksčiau minėtus uždaro tipo šilumos gręžinius. Patartina pasidaryti reikiamo gylio šilumos gręžinius, nes neatsakingas taupymas gręžinių gylio sąskaita atsilieps vėliau, mokant už sunaudotą elektros energiją. Kuo daugiau šilumos gausite iš šilumos šaltinio, tuo mažiau turėsite eksploatacinių išlaidų. Kalbant apie geoterminio šildymo sistemos katilinės įrenginius, jei yra pakankamai vietos katilinėje, tada vertėtų rinktis šilumos siurblį su atskira akumuliacine talpa.

Pagrindinis akumuliacinės talpos privalumas įsirengiant geoterminį šildymą yra tas, kad joje yra sukaupiamas didesnis šilumos kiekis, ko pasekoje šilumos siurblys dirba trumpiau, ne taip dažnai įsijunginėja, išsijunginėja ir taip sunaudoja mažiau elektros energijos. Jei nėra pakankamai vietos, patartina statyti kompaktinį šilumos siurblį, kuris užima nedaug vietos, tačiau yra šiek tiek mažiau efektyvus dėl jame integruotos mažesnės (100 - 150 l ) akumuliacinės talpos. Efektyviausiai geoterminio šildymo sistema dirba su įrengta grindinio šildymo sistema, nereikalaujanti aukštos temperatūros, lyginant su aukštatemperatūrine radiatorine sistema. Tačiau dėl įvairiausių motyvų dažniausiai būna įrengiamas kombinuotas šildymas. Priklausomai nuo iš šilumos šaltinio gaunamos ir į šildymo sistemą perduodamos šilumos nešėjo temperatūros, šilumos siurblys gali pagaminti nuo 3 kWh iki 5 kWh šiluminės energijos sunaudodamas 1kWh elektros energijos. Visgi norint įsirengti ekonomišką ir efektyvią geoterminio šildymo sistemą, pirmiausia reiktų atlikti viso namo šildymo sistemos projektą, kurio pagrindu būtų siūlomi tinkamiausi kompleksiniai šildymo sistemos sprendimai. Užsakovui patartina kuo daugiau darbų patikėti atlikti vienam rangovui, nes kitu atveju, iškilus problemoms dažnai būna sunku rasti kaltus.

Atsinaujinančių energijos išteklių įstatymas, šiuo metu yra ruošiamas, kuris reglamentuos atsinaujinančių energijos išteklių gamybos skatinimą, investicijų pritraukimą, šių išteklių vartojimo skatinimą ir pan. Tai apima ne tik geoterminės energijos, bet ir saulės kolektorių, vėjo jėgainių plėtros skatinimą. 2007 m. Ūkio ministerijos užsakymu buvo atlikta studija „Požeminės šiluminės energijos panaudojimo pastatų šildymui ir vėsinimui šalyje galimybių įvertinimas ir rekomendacijų dėl šios energijos panaudojimo minėtiems tikslams parengimas“, kurios išvadose rašoma, kad būtina skatinti geoterminių sistemų įsirengimą bei siūlomos tam tikros išlaidų padengimo sumos. Tačiau ko gero dujininkų monopolija ir esama finansinė situacija šalyje šiuo metu neleidžia šių tikslų įgyvendinti, nors kitose ES šalyse įvairios paramos formos taikomos jau senai. Vokietijoje štai įsirengusiems šilumos siurblius suteikiama 5 - 20 EUR/m2 (nuo šildomo ploto) subsidija, Airijoje įsirengusiems šilumos siurblius suteikiama iki 3500 EUR subsidija, Suomijoje suteikiama 30 - 40 proc. išlaidų subsidija (šaltinis „DENA“, Vokietijos energijos agentūra). Šilumos gręžinių įrengimo klaidos ir pavojai. Jei vandens gręžinių įrengimo tvarką nustato LAND 4 - 99, tai šilumos (vertikalių zondų) gręžinių įrengimas, kol kas, nereglamentuojamas jokiais teisiniais dokumentais. Tad šis procesas vyksta stichiškai, kiekvienas daro pagal savo išmanymą ir sugebėjimus, o tie sugebėjimai labai įvairūs: nuo mėgėjiškų iki profesionalių. Gręžimo darbus gali vykdyti tik įmonės, gavusios leidimus iš Lietuvos geologijos tarnybos, tačiau leidimo išdavimas nėra kokybiško darbo garantas, kadangi reikalavimai gręžimo darbų leidimui įgyti yra minimalūs. Užtenka turėti „popierinį“ gręžėją su 3 m patirtimi tik 0,3 etato ir žalia šviesa gręžimui uždegta. Hidrogeologas ir bet koks geologas čia nebūtinas. Tad kas tik negręžia šiais laikais Lietuvoje: nuo prekybininko iki statybininko. Hidrogeologinių ir geologinių žinių nuvertinimas šiame darbe, tai dar vienas nesusipratimas Lietuvoje.

Geoterminio šildymo sistemos su vertikalias zondais (šilumos gręžiniais) turi dvi medalio puses: iš vienos puses - tai pažangi, ekonomiška šildymo sistema, iš kitos - tai padidintas pavojus požeminiams vandenims būti užterštiems dėl netinkamo šilumos gręžinių įrengimo, vandeningų sluoksnių tarpusavio ir nuo paviršinės taršos neizoliavimo, netinkamo neušąlančio skysčio panaudojimo, kuris, esant nesandariems zondams, gali užteršti vandeningus sluoksnius. Kad geriau apsaugoti požeminius vandenis, Vokietijoje, neatsitiktinai, taikomas reikalavimas gręžinio skylę užpildyti bentonito ir cemento skiediniu. Toks reikalavimas žymiai pabrangintų ir taip brangų geoterminio šildymo su vertikaliais zondais įsirengimą. Lietuvoje, kaip taisyklė, gręžinio skylė užpilama žvyru. Tai būtų nieko bloga, jei reikiamose vietose būtų įrengiamai bent 0,5 - 1 m storio molio kamščiai. Tačiau, galiu drąsiai teigti, kad dėl nesupratimo, jokių norminių dokumentų nebuvimo, siekio visais būdais sumažinti savikainą, izoliacija daugeliu atvejų neįrengiama, zondų užpildymui naudojamas netinkamas neužšąlantis skystis, o dažnai greta šilumos gręžinio įrengiamas vandens gręžinys, kuris, esant skysčio nutekėjimui, gali užteršti geriamą vandenį. Todėl atsakingos institucijos turėtų kuo skubiau parengti normatyvinius dokumentus šilumos gręžinių įrengimui, sugriežtinti leidimų vykdyti gręžimo darbus išdavimo tvarką, peržiūrėti jau išduotus. Žemės gręžimo darbus vykdančioje įmonėje hidrogeologas būtinas.