Erdwärmepumpen für energieeffizientes Heizen und Kühlen

Ist Geothermie wirklich ein “grünes” Technologie für erneuerbare Energien, die uns helfen kann, unseren CO2-Fußabdruck und die Umweltauswirkungen zu reduzieren, und uns dabei hilft, Geld zu sparen, indem sie unsere Stromrechnungen senkt. Geothermische Wärmepumpen werden verwendet, um Ihr Haus energieeffizient zu heizen und zu kühlen.

Das Heizen und Kühlen von Häusern und Räumen mit Geothermie gewinnt als erneuerbare Energiequelle stetig an Popularität, da sie gegenüber konventionelleren Formen des Heizens und Kühlens mehrere entscheidende Vorteile bietet. Dieses “kostenlose” Energiequelle wird schnell zu einem hochwirksamen Mittel, um den Spitzenbedarf an Energie zu reduzieren und unsere Abhängigkeit von konventionelleren fossilen Brennstoffen zu verringern.

Fast die gesamte Erdoberfläche ist voller Wärme, die von der Sonnenenergie stammt direkt von der Sonne zur immensen Hitze des Erdkerns, die durch die Kruste nach oben zur Erdoberfläche wandert. Eine geothermische Heizung, Lüftung und Klimaanlage oder ein geothermisches HLK-Systemnutzt die natürliche Wärmeenergie der Erde, die unter unseren Füßen gespeichert ist, um unsere Häuser und Arbeitsräume mit geothermischen Wärmepumpen zu heizen und/oder zu kühlen.

Erdwärmepumpen und Rohre

Eine geothermische Wärmepumpe, auch bekannt als Erdwärmepumpen (GSHP), kann eine der kostengünstigsten und effizientesten Möglichkeiten sein, unsere Häuser oder Gebäude zu heizen und zu kühlen. Wärmepumpen sind einfache elektrisch betriebene Geräte, die mehr Energie liefern können, als sie verbrauchen, indem sie die gespeicherte Energie direkt unter der Erdoberfläche entnehmen.

Die Menge an gespeicherter Energie, die der Erde entnommen werden kann, hängt von Ihnen ab lokale Klima- und Bodenbedingungen sowie die verfügbare Landfläche, da einige geothermische HLK-Anlagen, eine horizontale Erdschleifeninstallation beispielsweise viel Bodenfläche einnehmen.

Im Allgemeinen sind die Bodentemperaturen in Böden und Gebieten mit hohem Feuchtigkeitsgehalt oder in der Nähe von großen Verwerfungslinien und Brüchen höher, die die Zirkulation von kaltem Wasser in Tiefen ermöglichen, wo es durch den normalen geothermischen Temperaturgradienten der Erde erwärmt werden kann. Dieses natürlich erwärmte geothermische Wasser wird dann unter natürlichen Kräften an die Oberfläche zurückgeführt, um warme geothermische Becken und Quellen zu bilden. In jedem Fall variiert die Bodentemperatur in einer Tiefe von nur wenigen Metern unter der Oberfläche das ganze Jahr über nur sehr wenig.

Wie extrahieren geothermische Wärmepumpen die Wärme

Ein geothermisches HLK-Systemarbeitet mit zwei Arten der Wärmeübertragung: Konvektion und Konduktion. Im Heizmodus sorgt eine Erdwärmepumpe mit geschlossenem Kreislauf für die Winterzeit, indem sie Wärme aus der Feuchtigkeit im Boden durch Wärmeleitung (leitfähiger Teil) in eine Flüssigkeit, normalerweise Frostschutzmittel, entzieht, die in einem vergrabenen hochdichten Polyethylen oder Polybutylen enthalten ist Kunststoffschläuche, da dieses Rohr nicht rostet, verrottet oder korrodiert und gegenüber Chemikalien, die normalerweise im Boden vorkommen, inert ist.

Theoretisch kann Wärme aus jeder natürlichen Quelle gewonnen werden, egal wie kalt die Quelle ist, aber natürlich ermöglicht eine wärmere Quelle eine höhere und effektivere Energieeffizienz. Ein Flüssigkeit-zu-Luft-Wärmetauscher innerhalb der geothermischen HVAC-Einheit überträgt die Wärme des Systems auf den warmen Luftstrom (Konvektionsanteil) im Inneren des Hauses oder Gebäudes, um herkömmliche Umluftöfen und zentrale Klimaanlagen zu ersetzen.

Im Kühlbetrieb während der Sommermonate kann der Prozess umgekehrt werden, sodass die Wärmepumpe der warmen Luft, die im Inneren des Hauses oder Gebäudes zirkuliert, Wärme entzieht (Konvektion) und sie wieder an das Erdreich außerhalb abgibt (Konvektion). Die Übertragung der Wärme in einen kühleren Raum erfordert weniger Energie, sodass die Kühleffizienz der Erdwärmepumpe von den niedrigeren Erdreichtemperaturen profitiert. Dann können wir sehen, dass ein geothermisches HLK-System die Erde im Winter als Wärmequelle und im Sommer als Wärmesenke nutzt.

Geothermische Wärmepumpenschleifendesigns

Die Installation der als thermischer Kollektor bezeichneten thermischen Rohrleitungen in einem geothermischen Wärmepumpensystem hängt vom Standort und der verfügbaren Landfläche ab. Es gibt verschiedene Grundtypen von erdgekoppelten thermischen Kollektoren oder Erdschleifen von horizontal bis vertikal und von offen bis geschlossen, wobei der gebräuchlichste Typ der horizontale geschlossene Schleife ist, da er die einfachste und billigste zu installierende Erdschleife ist.

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Designs für geothermische Schleifen

Die geothermische horizontale Erdschleife ist am besten für diejenigen geeignet, die über viel verfügbares Land verfügen, da die für die Wärmeübertragung verwendeten Rohre verteilt sind und viel Landfläche beanspruchen. In der Umgebung des Hauses werden Gräben ausgehoben, wobei ein einzelnes Wärmeübertragungsrohr horizontal in einer Tiefe von 3 bis 5 Fuß (0,9 bis 1,5 m) verlegt wird.

Flache horizontale Wärmetauscher unterliegen jahreszeitlichen Temperaturschwankungen Die einfallende Sonnenenergie ändert sich im Laufe der Jahreszeiten, was zu Wärmegewinnen und -verlusten an die Umgebungsluft in Bodennähe führt. Diese Temperaturzyklen hinken aufgrund der thermischen Trägheit den Jahreszeiten hinterher, sodass die geothermischen Wärmeschleifen die von der Sonne abgelagerte Wärme einige Monate früher nutzen können.

Die häufigste Art der horizontalen Schleife wird als Slinky-Style-Schleife bezeichnet, die auch als Spiralschleife bezeichnet wird. Seinen Namen erhielt es wegen seines spiralförmigen, anschmiegsamen Designs, bei dem sich die horizontalen geschlossenen Schleifen oder Rohre überlagern. Der Vorteil gegenüber der geraden horizontalen Schleife besteht darin, dass sie das Rohr um den Graben legt und weniger Bodenfläche beansprucht. Slinky-Coil-Gräben können zwischen einem Drittel und zwei Drittel kürzer sein als herkömmliche horizontale Schleifengräben.

Die vertikale Bohrung hingegen verwendet einen viel schmaleren Graben, da die Rohre, die den thermischen Kollektor bilden, vertikal im Boden geführt werden. Diese Methode der geothermischen Wärmepumpentechnik kommt zum Einsatz, wenn die zur Verfügung stehende Grundstücksfläche klein ist oder die Bodenverhältnisse für Gräben zu flach sind. Mehrere Löcher werden vertikal in den Boden gebohrt, etwa 10 Fuß voneinander entfernt und bis zu 400 oder 500 Fuß (120–150 m) tief.

Die Thermorohre werden paarweise in jedes Loch eingebaut und unten mit einem U-förmigen Kreuzverbinder miteinander verbunden. Die vertikalen Rohre werden dann nur wenige Meter unter der Oberfläche horizontal mit einem Sammelrohrsystem verbunden. Das vertikale Bohrloch wird dann mit einem speziellen thermisch verbesserten Mörtel gefüllt, der das Rohr umgibt, vergräbt und abdichtet, um eine thermische Verbindung zum umgebenden Boden oder Gestein herzustellen, um die Wärmeübertragung zu verbessern.

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Separate Schleifenlängen und Rohrabschnitte, ob horizontal oder vertikal, werden im Allgemeinen durch thermisches Schmelzen miteinander verbunden, bei dem das Rohr und die Armatur erhitzt und dann verbunden werden, um eine Verbindung zu bilden, die stärker als das ursprüngliche Rohr ist. Dadurch soll sichergestellt werden, dass die Erdungsschleife absolut wasserdicht ist, um sie vor Lecks und Verunreinigungen zu schützen, da jedes Leck in den Rohrleitungen nach dem Vergraben teuer zu finden und zu reparieren ist.

Eine geothermische Wärmepumpe kann Sie im Winter mit Heizung und im Sommer mit Kühlung versorgen und verbraucht weniger Energie als die meisten anderen zentralen Heiz- und Kühlsysteme, wobei eine typische Erdwärmepumpeneinheit 20 % bis 40 % effizienter ist als herkömmliche Klimaanlagen .

Aber sie sind nicht billig in der Anschaffung oder Installation. Die drei Hauptteile eines geothermischen HVAC-Systems sind die Wärmepumpeneinheit, das flüssige Wärmeaustauschmedium (offener oder geschlossener Kreislauf) und das Luftzufuhrsystem (Kanalsystem). Die Hauptkomponenten der Wärmepumpe sind Kompressor, Wärmetauscher, Luftspule, Gebläsemotor und elektrische Steuerung.

Erdgekoppelte geothermische Wärmepumpen und -systeme können eine konstante, gleichmäßige Erwärmung oder Kühlung bei optimaler Temperatur und Luftfeuchtigkeit liefern. Sie funktionieren gut mit Lüftungssystemen oder mit Heizstrahlern, die heißes Wasser unter den Böden zirkulieren lassen und so eine effiziente, allergenfreie Wärme erzeugen.

Aber diese hocheffizienten und zuverlässigen Systeme lassen sich am besten von Fachleuten entwerfen und installieren. Es wird nicht empfohlen, dies zu einem DIY-Projekt zu machen, da diese Systeme bestimmte Anforderungen erfüllen müssen. Insbesondere die im Erdreich oder bis zum Grundwasserspiegel verlegten Rohrleitungen müssen korrekt ausgelegt und installiert werden, um sicherzustellen, dass Ihr Erdwärmepumpensystem wie vorgesehen funktioniert.

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