Maapinnalähedane geotermaalenergia

Ajalugu

Kuna soojuspumba tööpõhimõte on sarnane külmkapi omaga, võib selle ajaarvamist alustada aastast 1834, mil Jacob Perkins leiutas auru kompressioonil põhineva külmkapi. Õhksoojuspumpa kui omaette süsteemi esitas Lord Kelvin aastal 1852  ja esimene soojuspump valmis 1857. aastal Peter von Rittingeril.
Esimesed märkmed pinnase kasutamisest soojusenergia allikana pärinevad 1912. aasta Šveitsist. Siiski suurem huvi soojusenergia saamise vastu ümbritsevast keskkonnast algas nii Põhja-Ameerikas kui ka Euroopas pärast Teist maailmasõda. Silmapaistvamateks maasoojuspumpade teoreetiliste lahenduste pakkujateks olid siis Ingersoll ja Plass.
Huvi sellise võimaluse vastu püsis kuni 1950. aastate alguseni, misjärel hakati sooja saamiseks laialdaselt põletama fossiilkütuseid.
Uus laine saabus mõlemal mandril 1970-ndatel pärast esimest õlikriisi. Siis hakati panema suuremat rõhku eksperimentaalsele uurimistööle. Kahe järgmise aastakümne jooksul töötati ja arendati välja võtted vertikaalse süsteemi paigaldamiseks ning üldised standardid soojuspumpade paigaldamiseks. Alates sellest ajast on maasoojuspumpade paigaldamine pidevalt kasvanud, viimastel aastatel isegi 10–30% aastas.

Põhjavee soojuspumbasüsteemid

Põhjavee soojuspumbasüsteemid kasutavad soojusallikana põhjavett, mis kantakse otse soojuspumba soojusvahetini. Tulenevalt põhjavee koostisest võib mõningatel juhtudel kaasneda keemilisi reaktsioone ja seadmete korrosiooni. Soovimatute nähtuste vältimiseks on vajalik voolu kiirus läbi soojusvaheti 0,027–0,054 l/s, misjärel tuleb põhjavesi suunata edasi teise kaevu või lasta mõnda veekogusse. Eestis ei kaasne soojussüsteemis põhjavee tarbimisega erikasutustasu vaid juhul, kui põhjavesi lastakse tagasi samasse põhjaveekihti.
Soojuspumbast antakse soojus üle keskküttesüsteemi, milleks tavaliselt on põrandaküte või radiaatorid.

Pinnavee soojuspumbasüsteemid

Pinnaveekogud võivad olla väga heaks soojusallikaks, sest vee suurim tihedus 4 °C juures annab eelise soojuspumba tõhusaks tööks.
Seal kasutatavad süsteemid võivad olla väga erineva lahendusega. Üheks võimaluseks on ühendada pumba külge veealune spiraaltoru, mille sees tsirkuleerib soojust edasikandev vedelik. Pump edastab saadava sooja õhu hoonele.
Teise võimalusena pumbatakse läbi soojusvaheti vett, kust see veidi eemal tagasi veekogusse lastakse. Pump võib asetseda kergelt üleval pool veepiiri kui ka vee all. Selline süsteem töötab soojemates maades, kus vee temperatuur ei lasku alla 5,5 °C.

Maasisene energia hoiustamine (UTES – underground thermal energy storage)

Õhust, tööstuslikust jahutusveest ja mujalt ümbritsevast keskkonnast on võimalik koguda energiat, mida võib hoiustada maa sees, perioodideks, mil nõudlus on suurem. On kolm peamist säilitamissüsteemi: 1) põhjaveesüsteemid (ATES – aquifer thermal energy storage); 2) puuraugusüsteemid (BTES – borehole thermal energy storage) ja 3) maa-alused tühimikud (CTES – rock cavern thermal energy storage).

Põhjaveesüsteemid

Põhjaveesüsteemid on avatud süsteemid ja koosnevad kahest kaevust. Kütteperioodil eraldatakse veest soojust ning kasutatud jahe vesi suunatakse teise kaevu. Suveperioodil kasutatakse külma vett ruumide jahutamiseks ning ringluses soojenenud vesi juhitakse kaevu, mis on mõeldud kasutamiseks kütteperioodil.

Puuraugusüsteemid

Puuraugusüsteemid toimivad analoogselt põhjaveesüsteemidele, vahe on kinnise süsteemi kasutamises. Nii on selle meetodiga võimalik koguda soojusenergiat erinevatest keskkondadest, näiteks nagu õhk, päikeseenergia või tööstusveed ning talletada seda kivimis.

Maa-alused tühimikud

See süsteem pole veel kuigi levinud, kuna paigaldamiskulud on väga suured. Põhimõte on kasutada maa-all olevaid tühimikke, mille alla kuuluvad ka vanad kaevandusšahtid, vee hoidmiseks. Meetodi eeliseks on võimalus vett kiiresti ja suurtes kogustes sisse või välja pumbata, millega kaasneb ka energia ümberpaigutumine.

COP

Soojuspumba efektiivsust iseloomustab töövõime koefitsient COP (coefficent of performance), mis on levinud ka soojusteguri nime all. See on suhtarv tarnitud energia (kasulik soojusenergia Eᵤ) ja selle tarnimiseks kulutatud energia vahel (tarbitav elektrienergia Ed):
COP = Eᵤ (W) / Ed (W)
Kui nii tarnitav kui ka tarbitav energia summeeritakse mingi kindla ajavahemiku peale, saadakse hooaja keskmine soojustegur SPF. Näiteks jagades aastase saadava soojusenergia ja selleks tarbitava elektrienergia:
SPF = aastas saadav soojusenergia (W) / aastas kulutatav elektrienergia (W)
Pump, mille SPF on 2,5, tarbib keskmiselt 2,5 kW soojusenergia tootmiseks 1 kW elektrienergiat.
Kütterežiimis oleva soojuspumba jaoks on COP puhul tegemist karakteristikuga soojustegur ja jagatis kirjutatakse välja järgmiselt:
COP = QHP (W) / Pₑ (W);
kus QHP on kasulik soojusenergia ja Pₑ tarbitav elektrienergia.
Jahutusrežiimi peal oleva soojuspumba energiatõhususe EER (energy efficiency ratio) näitaja jahutustegur on analoogne soojustegurile. See erineb vaid selle poolest, et iseloomustab jahutamise suutlikkust. EER on defineeritud jagatisega:
EER = Q₀ (Btu/h) / Pₑ (W);
kus Q₀ on jahutusvõimsus ja Pₑ tarbitav elektrienergia.
Jahutusrežiimi peal oleva masina COP leitakse:
COP = EER / 3,413;
kus 3,413 on ülekandetegur W (vatt) ja Btu/h (British thermal unit per hour) vahel.
Enamasti jäävad maasoojuspumpade COP väärtused vahemikku 2,5–4 ja EER väärtused vahemikku 10,5–20. Eestis antakse ka EER W/W kaudu.