Внутри подъема геотермальных тепловых насосов на основе грунтовых вод

Ремонт и отделка квартир в Донецке ДНР

По словам сторонников, эта технология, которая является экономически эффективной на 75% территории США и идеально подходит для пользователей с ограниченными возможностями, в конечном итоге может вытеснить коммунальное газоснабжение.

Автор: Брайан Мартуччи

Inside the rise of groundwater-based geothermal heat pumps

Фасад мэрии и правительственного центра в Рочестере, штат Миннесота. В городе внедряются геотермальные тепловые насосы, работающие на грунтовых водах, для обогрева и охлаждения правительственного здания площадью 85 000 квадратных футов. «Здание правительственного центра» Джонатана Андера имеет лицензию CC BY-SA 3.0

В нескольких шагах от парадного входа в здание мэрии Рочестера, штат Миннесота, две недавно пробуренные скважины уходят на сотни футов вниз, в обширный прохладный водоносный горизонт. Вместо того чтобы пополнять муниципальное водоснабжение Рочестера, эти скважины будут использовать грунтовые воды для обогрева и охлаждения правительственного здания площадью 85 000 квадратных футов.Системы с геотермальными тепловыми насосами, работающие на грунтовых водах, используют электроэнергию более эффективно, чем системы с воздушными источниками, сообщил агентству Facilities Dive управляющий объектами и недвижимостью в Рочестере Скотт Рэмси. По словам Рэмси, подземные воды Рочестера, которые круглый год поддерживают температуру ниже 50 градусов по Фаренгейту, снижают нагрузку на систему теплообмена и обеспечивают стабильные коэффициенты полезного действия, или COPs, от 4 до 5. КПД теплового насоса обычно представляет собой соотношение полезной мощности нагрева или охлаждения к требуемой энергии, причем более высокие КПД отражают более высокий уровень эффективности. 

Тепловые насосы с воздушным источником тепла имеют аналогичные характеристики в умеренную погоду, но менее эффективны и, следовательно, имеют более высокие эксплуатационные расходы при более низких температурах. Однако, по словам Рэмси, более новые модели с воздушным охлаждением работают даже при температуре ниже нуля градусов по Фаренгейту, как это часто бывает в Миннесоте. 

“Технология воздушных тепловых насосов совершенствуется, но вашему COP по-прежнему будет 2 года или меньше, когда на улице по-настоящему холодно”, — отметил Рэмси.

Меньше места, больше мощности

Наземные геотермальные системы, которые используют скрытое тепло в сухой породе, а не в грунтовых водах, почти так же энергоэффективны, как системы, работающие на грунтовых водах, и эффективно работают круглый год. Однако из-за более низкой эффективности отдельных наземных скважин для систем с наземным источником требуется большее количество скважин, каждая из которых находится на расстоянии около 20 футов друг от друга. 

Тем не менее, системы подземных вод более компактны и обладают потенциалом для “открытия целого рынка, который хочет воспользоваться преимуществами геотермальной энергии”, — сказал Дэвид Хенрих, президент буровой компании Bergerson Caswell, базирующейся в Миннесоте, в интервью Facilities Dive. Бергерсон Касвелл (Bergerson Caswell) — подрядчик по бурению для Darcy Solutions, геотермальной компании, чья технология замкнутого цикла лежит в основе системы мэрии Рочестера. Когда несколько лет назад представители Darcy обратились к Хенриху с предложением о совместной работе, “я сразу же сказал: ”Я согласен», потому что знал об ограничениях [наземных] геотермальных источников», — сказал Хенрих.По данным St. Paul Union Advocate, используя технологию Дарси, местный профсоюз Steamfitters и Pipefitters Local 455 теперь охлаждает свой учебный центр площадью 100 000 квадратных футов в Сент-Поле, штат Миннесота, всего четырьмя скважинами с грунтовыми водами. Как сообщает The Union Advocate, для традиционной геотермальной системы, работающей на земле, потребовалось бы 70 скважин на территории и временное закрытие парковки на территории.Роберт Эд, директор по маркетингу и стратегии Darcy Solutions, рассказал Facilities Dive, что в Миннесоте необычайно благоприятная геология для геотермальных тепловых насосов, работающих на грунтовых водах. Но эта технология может быть экономически эффективной примерно на 75% территории США”, — отметил он. 

Экономические соображения

Даже в тех местах, где подземная гидрология в целом благоприятствует использованию геотермальных тепловых насосов на основе подземных вод, условия могут варьироваться от участка к участку в зависимости от таких факторов, как глубина залегания грунтовых вод и состав коренных пород.“Водоносный горизонт может залегать на глубине 80 футов или 400 футов под землей, в зависимости от местной геологии”, — сказал Эд. Гидрогеологи, работающие в компании Darcy, оценивают условия на участке, чтобы определить оптимальную глубину скважины, что важно, поскольку теплообменник системы и грунтовый насос должны быть погружены в водоносный горизонт, добавил он. По словам Эда, реальная задача бурения скважин и размещения подземного оборудования требует более крупного оборудования и специальных знаний, которых не хватает большинству компаний, занимающихся бурением скважин на воду. Он советуеткомпании, рассматривающие геотермальные системы, должны тщательно изучить своих подрядчиков по бурению. 

Заказчикам также необходимо понимать экономические аспекты геотермальных тепловых насосов, работающих на грунтовых и подземных водах, чтобы определить, какой тип систем им подходит, — сказал Хенрих. По словам Генриха, традиционные наземные геотермальные тепловые насосы имеют смысл для жилых домов и небольших коммерческих предприятий, которым требуется тепловая мощность менее 50 тонн, а также для более крупных пользователей, у которых достаточно места для буровых работ, например, в пригородных кампусах средних школ и колледжей. По словам Генриха, это может быть единственный вариант “с наземной связью” для пользователей любого размера в регионах, где состояние грунтовых вод не позволяет использовать геотермальные системы на водной основе. 

На участках, богатых подземными водами, которые слишком малы для традиционных наземных геотермальных систем, решение часто сводится к выбору между системами с замкнутым и разомкнутым контуром “откачки и нагнетания” подземных вод. В системах с замкнутым контуром, таких как Rochester, вода в системе климат-контроля здания поступает отдельно от грунтовых вод. В системах с открытым контуром грунтовые воды циркулируют непосредственно для обогрева и охлаждения, прокачивая их через здания, а затем возвращая в водоносный горизонт, — сказал Хенрих. По словам Генриха, системы с разомкнутым контуром могут быть более экономичными, в зависимости от местных геологических условий и ожидаемых нагрузок на отопление и охлаждение системы. Крупное казино в Миннесоте недавно консультировалось с компанией Bergeron Caswell по оптимизации своей планируемой геотермальной системы мощностью 5000 тонн и в конечном итоге выбрало вариант с открытым циклом, который, по его словам, обошелся на 20-30% дешевле.

Убедительный довод

Сторонники геотермальной технологии, основанной на использовании подземных вод, считают, что технология готова к внедрению, поскольку муниципалитеты и владельцы коммерческой недвижимости уделяют все большее внимание мерам по повышению энергоэффективности и сокращению выбросов.

“Мы уже давно говорим людям, что если вы собираетесь электрифицировать системы отопления и охлаждения, вам придется подключить их к земле”, — сказал Хенрих, добавив: “Существует опасность, что вы не сможете справиться с пиковым спросом” с помощью воздуха-используйте только тепловые насосы.Закон о снижении инфляции, или IRA, предоставляет 30%-ную налоговую льготу для коммерческих геотермальных систем, а освобожденные от налогов организации, такие как частные некоммерческие организации и государственные учреждения, имеют право на получение сопоставимой компенсации в рамках системы прямых выплат Налогового управления США. Хотя установка систем, работающих на грунтовых водах, по-прежнему обходится дороже, чем системы отопления и охлаждения, работающие на ископаемом топливе, которые они обычно заменяют, налоговые льготы IRA в сочетании с более низкими эксплуатационными расходами могут компенсировать разницу всего за год или два, сказал Эд.

Для базирующейся в Сент-Поле компании Ever-Green Energy, которая планирует установить геотермальную систему с замкнутым циклом подачи грунтовых вод в новый комплекс многофункционального назначения в Миннеаполисе, кредиты IRA предоставляют и без того привлекательную возможность сократить выбросы в атмосферу и расходы на кондиционирование помещений.“Стимулы, предусмотренные Законом о снижении инфляции, [сделали геотермальную энергию на основе подземных вод] еще более привлекательной”, — сказал Майкл Ахерн, старший вице-президент по разработке систем Ever-Green Energy, в интервью Facilities Dive. Поскольку система Ever-Green будет принадлежать некоммерческой организации, “мы будем использовать альтернативу прямой оплаты”, — добавил он.

Масштабируемость в будущем

Еще более впечатляющей является масштабируемость геотермальной энергии, работающей на подземных источниках. И Ever-Green, и город Рочестер разрабатывали свои системы, учитывая потенциальную возможность их использования в других зданиях поблизости. Система Ever-Green, которая первоначально будет обслуживать пять зданий, может быть расширена для обогрева и охлаждения “других объектов по мере их строительства в этом районе”, — говорится в пресс-релизе Ever-Green о проекте, опубликованном в 2023 году. В Рочестере проектируется вторая геотермальная очередь, которая заменит устаревшую районную паровую систему и подключит городскую библиотеку, гражданский центр и комплекс общественных искусств к тепловой энергетической сети, обслуживающей примерно 1 миллион квадратных футов внутреннего пространства. Рэмси объяснил, что на втором этапе строительства в Рочестере можно было бы достичь уровня COP от 6 до 8, объединив несколько зданий с различными профилями отопления и охлаждения, используя циркуляцию воды в помещении, температура которой колеблется от 40 до 70 градусов по Фаренгейту в течение всего года, и по возможности перерабатывая отработанное тепло. В обозримом будущем тепловая энергетическая сеть Рочестера может превратиться в систему централизованного теплоснабжения и охлаждения, которая будет обслуживать большую часть центра города, включая клинику Майо и медицинский центр Destination. По словам Рэмси, по мере того, как здания в сети переходят от устройств для сжигания топлива к тепловым насосам, сеть может в конечном итоге перевести газовые предприятия на модель “тепло как услуга”.

Рекомендуемое чтение

  • Для ускорения геотермального нагрева и охлаждения Министерство энергетики США финансирует 11 проектов по проектированию систем общественного назначения, разработанных Изабель Кемпе • 3 мая 2023 г.
  • Первый сетевой геотермальный проект в Бостоне электрифицирует 7 общественных жилых зданий По проекту Изабель Кемпе • 9 февраля., 2024 г.
  • Тепловые насосы являются горячими, но коммерческая модернизация сталкивается с холодными реалиями, Ниш Амарнатх, 23 октября 2023 г.

Донецк, ДНР