Pieaugot zemeslodes piesārņotības līmenim, cilvēki nepārtraukti meklē jaunus, ekoloģiski tīrus enerģijas iegūšanas veidus. Viena no šādām alternatīvām ir ģeotermālās enerģijas izmantošana. Ģeotermālās apkures sistēmas par siltuma avotu un izplatītāju izmanto zemi. Jebkura ģeotermālā apkures sistēma ietver dažus būtiskus komponentus: ģeotermālo siltumsūkni, kas parasti atrodas ēkas iekšpusē, siltummaini (cauruļu kontūra, kas ierīkota zem zemes) un ūdeni (vai antifrīzu), kas cirkulē kontūrā un savu siltumu atdod siltumsūknim.  

Ģeotermālais siltumsūknis

Ģeotermālos siltumsūkņus izmanto jau kopš 20.gs. vidus. To darbības princips balstās uz zemes nemainīgo temperatūru izmantošanu. Pateicoties zemes dzīļu temperatūru stabilitātei, ģeotermālo sūkņu sistēmas ir ārkārtīgi efektīvas pat visbargākajā ziemā.

Ir zināms, ka gaiss mēdz bieži tikt pakļauts sezonālām temperatūras svārstībām, tai laikā, kad zemes temperatūra 0,5 metru dziļumā praktiski nemainās gada laikā. Atkarībā no ģeogrāfiskā platuma augsnes temperatūra svārstās no 7°C līdz 21°C. Ziemā augsnes temperatūra ir augstāka, kā gaisam, savukārt vasarā gaiss ir siltāks. Ģeotermālais siltumsūknis šo starpību izmanto siltuma apmaiņai ar zemi ar siltummaiņa palīdzību.

Tāpat kā jebkurš cits siltumsūknis, ģeotermālo sūkni var izmantot gan ēku apsildīšanai, gan atvēsināšanai, kā arī karstā ūdens nodrošināšanai. Daži ģeotermālo sistēmu modeļi ir aprīkoti ar divu režīmu kompresoriem, kas ļauj ekonomiskāk tērēt siltumu. Salīdzinot ar siltumsūkņiem, kas kā siltuma avotu izmanto gaisu, ģeotermālo siltumsūkņu darbs ir krietni vien klusāks, tie ilgāk kalpo un prasa mazākas pūles iekārtu apkopē, tie tāpat absolūti nav atkarīgi no ārējā gaisa temperatūras.

Lai gan ģeotermālās sistēmas izmaksā salīdzinoši daudz, izdevumus izdodas atpelnīt jau pēc 5-10 gadiem. Ēkā izvietotās sistēmas komponenti kalpo aptuveni 25 gadus, savukārt ārpusē ierīkotais cauruļvads var darboties 50 gadus un vairāk.

Ģeotermālo sistēmu klasifikācija

Izšķir 4 ģeotermālo sistēmu veidus, no kuriem trīs (horizontālā, vertikālā un ūdenstilpņu) attiecināmas uz slēgtām sistēmām. Ceturtā sistēma balstās uz atvērtās cauruļu kontūras. Katram sistēmas veidam piemīt savas priekšrocības un trūkumi. Atbilstošākās konfigurācijas izvēli lielā mērā nosaka klimats, augsnes stāvoklis, brīvās platības pieejamība un iekārtas izmaksas. Visas četras sistēmas var tikt izmantotas gan privātajā apbūvē, gan komercsektorā.

Slēgto kontūru sistēmas

Šādu sistēmu darbības pamatā ir ūdens (vai antifrīza) cirkulēšana slēgtā kontūrā, kas ir ierīkots zem zemes. Kontūras garumu nosaka augsnes temperatūra, mitrums un siltuma vadīšanas spēja, kā arī sistēmas dizains.

1. Ģeotermālais siltumsūknis ar horizontālo siltummaini.

Šis salīdzinoši ekonomisks ģeotermālo sistēmu tips ir efektīvs, ja pietiekošā apjomā ir pieejama nepieciešama zemes platība. Sistēmas ierīkošana vismaz 1 metra dziļumā zemē tiek raktas tranšejas, kurā horizontāli tiek ievietotas caurules. Tranšejas veido 1,0 - 2,5 m attālumā vienu no otras. Izplatītākā ir shēma ar divām caurulēm, no kurām viena tiek ierīkota 2 m dziļumā, bet otrā - 1,3 m. Bieži vien izmanto arī citu konfigurāciju: divas caurules izvieto blakus vienā 0,5 platajā tranšejā, kas ierīkota 1,65 m dziļumā. Plaši pazīstama ir metode Slinky, saskaņā ar kuru caurules iekārto cilpas veidā, kas ļauj ierobežotā garuma tranšejā izvietot lielāku cauruļu skaitu. Šādu horizontālās ieklāšanas veidu var izmantot vietās, kas sākotnēji šķiet ne gluži piemērotas cauruļvada horizontālai izvietošanai.

 2.Ģeotermālais siltumsūknis ar vertikālo siltummaini.

Lai šādu sistēmu ierīkotu, zemē līdz 200 m dziļuma līmenim tiek veidoti urbumi, starp kuriem tiek ievērots attālums 5-10 metri. Katrā urbumā ievieto divas caurules. Apakšdaļā caurules savieno savā starpā ar „U" veida līkumu, veidojot cilpas. Augšējā daļā cilpas savieno ar tranšejās ierīkoto horizontālo caurulīšu palīdzību. Viena no šīm caurulītēm visu sistēmu pieslēdz siltumsūknim. Vertikālās sistēmas priekšrocība - minimālais kaitējums, ko tās ierīkošana nodara videi. Turklāt šādas sistēmas izmantošanai nepieciešams mazāks cauruļu kopgarums, nekā horizontālās sistēmas gadījumā. Taču salīdzinājumā ar horizontālo sistēmu vertikālā izmaksā krietni vairāk, jo tās ierīkošana iekļauj arī izdevumus urbšanas darbiem.

3.Ģeotermālais siltumsūknis ar slēgtu ūdens aprites ciklu

Tas ir īpaši ekonomisks slēgtās ģeotermālās sistēmas veids. Pietiekoša dziļuma ūdenstilpnes dibenā apļu veidā tiek izvietotas caurules, kas nodrošina ūdens pārsūknēšanu no ūdenstilpnes. Augstas prasības tiek izvirzītas pret ūdenstilpni - tai jābūt noteiktam dziļumam un apjomam.

Atvērtā cikla sistēma

4.Ģeotermālais siltumsūknis ar atvērto ciklu

Šī vienkāršā un funkcionālā sistēma tiek izmantota vairākus desmitus gadu. Atšķirībā no slēgtām sistēmām šajā gadījumā izmanto grunts ūdeņus. Iekārtas darbības princips ir sekojošs - gruntsūdeņi, ko izsūknē no augsnes ūdens nesējslāņa vienā akā, tiek novirzīti uz siltummaini, bet pēc tam jau atvēsināti nonāk atpakaļ augsnē caur citu aku, kas atrodas nelielā attālumā no pirmās. Pateicoties gruntsūdeņu temperatūras spējai palikt nemainīgai visu gadu, atvērtā cikla ģeotermālās sistēmas aizvien biežāk tiek atzinīgi novērtētas. Acīmredzami , atvērto sistēmu var ierīkot tikai tur, kur augsne satur pietiekoši daudz gruntsūdeņu. Atvērtā cikla situācijā obligāti jāievēro visas normas attiecībā uz ūdens nonākšanu atpakaļ augsnē. 

Zemes novērtējums pirms ģeotermālās sistēmas ierīkošanas

Zemesgabala ģeoloģiskie, hidroloģiskie un telpiskie raksturojumi ir noteicošie, izvēloties ģeotermālo sistēmu.

Ģeoloģija

Ir obligāti jāņem vērā tādi faktori, kā augsnes sastāvs un īpašības, kā arī iežu struktūra. Augsnei ar labām siltumvadīšanas spējām ir nepieciešams mazāks cauruļu skaits noteiktā enerģijas daudzuma akumulēšanai, nekā augsnei ar sliktu siltumvadīšanu. Rīcībā esošās augsnes slāņa biezumam arī ir būtiska nozīme - ja tas ir pārāk plāns, lai tajā raktu tranšejas, bet zeme satur pārāk daudz iežu, tad priekšroka jādod vertikālajai sistēmai.

Hidroloģija

Arī gruntsūdeņu klātbūtne nosaka ģeotermālās sistēmas izvēli. Svarīgi ir noskaidrot gan gruntsūdeņu, gan virszemes ūdeņu dziļumu, kvalitāti un apjomu. Pirms atvērtās sistēmas iegādes jāpārliecinās, vai uzņēmums, kas veiks aprīkojuma uzstādīšanu, ir rūpīgi izvērtējis hidroloģisko situāciju attiecīgajā teritorijā. Tas ļaus izvairīties no nopietnām problēmām nākotnē - ūdens nesējslāņa noplicināšanas un gruntsūdeņu piesārņošanas. Antifrīzs, kas cirkulē slēgtajā sistēmā parasti nerada būtisku apdraudējumu apkārtējai videi.

Zemes pieejamība

Pieejamā zemesgabala platība, ainava un pazemes komunikāciju izvietojums arī ietekmē ģeotermālās sistēmas dizainu. Piemēram, horizontālās kontūras sistēmas (visekonomiskākās) biežāk ierīko māju celtniecības gaitā, kad ēkas apkaimē ir lielas brīvas zemes platības. Vertikālās sistēmas un Slinky kompaktās konfigurācijas parasti uzstāda jau uzceltajās būvēs, jo to montāža vismazāk izjauc izveidoto ainavu.

Ģeotermālo sistēmu ierīkošana

Ģeotermālās sistēmas ierīkošanai nepieciešamas specifiskās zināšanas un speciālās iemaņas, tādēļ nav vērts šo darbu veikt pašu spēkiem. Tik atbildīgo uzdevumu labāk tomēr uzticēt profesionāļiem. Uzņēmumam, kas ierīko ģeotermālās sistēmas, jābūt atbilstošiem sertifikātiem un ilgstošai pieredzei šajā nozarē. Pirms izvēlēties darbuzņēmumu, ieteicams sazināties ar tās bijušajiem klientiem un pārliecināties par to, vai uzņēmuma ierīkotā sistēma darbojas bez liekiem sarežģījumiem. Tas palīdzēs izvairīties no kļūdām kompānijas izvēlē un ietaupīt uz sistēmas remonta rēķina.