Maapinnalähedane geotermaalenergia

Maapinnalähedase geotermaalenergiana käsitletakse tavaliselt kuni 200 m sügavuseni esinevat energiat. Selles sügavuses on temperatuur liiga madal, et soojust kasutada otsekütteks või elektri tootmiseks. Ümbritseva energia ammutamiseks või talletamiseks rakendatakse maasoojussüsteeme.
Soojuspumba vahendusel kogutakse ümbritsevast keskkonnast soojusenergiat, mis soojusvahetite ja kompressortehnika abil muudetakse kasulikuks soojuseks. Soojusallikaks võib olla pinnas ja kivimid ning pinna-, põhja- või heitvesi. Protsessi eesmärgiks on soojusenergia kandmine ühest kohast teise. Ruumide kütmise eesmärgil transporditakse soojusenergia väljast sisse. Samas toimib süsteem ka vastupidi, võimaldades sedaviisi ruume jahutada.
Maapinnast 10–15 m allpool ei ole maa sisemus olulises sõltuvuses välistest klimaatilistest muutustest. Tänu inertsusele temperatuuri suhtes, on seal võimalik kogutud energiat hoiustada ning seda hiljem taas tarvitada. See annab võimaluse suvel talletatud soojusenergiat kasutada talvel kütmiseks ning suvel rakendada jahutamiseks külmal perioodil kogutud madalat temperatuuri.
Temperatuur maa sees sõltub maapinna temperatuurist ja maasisese soojusvoo tihedusest. Eestis on pinnase temperatuur keskmiselt 6–8 °C. Soojusvoo tihedus muutub sügavuti, kuid kuni 200 m sügavuseni võib seda konstantseks lugeda. Seevastu kivimite soojusjuhtivus võib varieeruda mitu korda, olles Eesti settekivimites vahemikus 1–3 W/m/K. Kliimast tulenevalt valdavad siin süsteemid, millega võetakse keskkonnas akumuleerunud soojust kütte eesmärgil. Levinuim lahendus on maakollektor, kus soojust kogutakse maasse horisontaalselt paigaldatud torustikuga. Populaarsust on kogumas ka puuraugud, kus süsteem on maasse paigaldatud vertikaalselt.
Maasoojuspumbad hõlmavad laia valikut erinevatest süsteemidest, mille liigitamisel lähtutakse mitmetest iseloomustajatest: 
Soojuspumpade puhul saab rääkida taastuvenergiast, millega kaasneb väiksem kasvuhoonegaaside emissioon ja suurem keskkonnasäästlikkus. Taastuvenergiate kasutamise edendamiseks ja propageerimiseks on loodud vastav direktiiv, mille rakendamiseks on valitsused käiku lasknud erinevad meetmed. Hinnangute tegemiseks arvutatakse ka soojuspumpadel taastuvenergia osa kogu energiatoodangust. See leitakse järgmise valemi järgi:
Eres=Eu(1-1/SPF);
kus Eu on hinnanguline pumba tarnitav kasulik soojusenergia ja SPF on hooaja keskmine soojustegur ("seasonal performance factor").
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. aastatel 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.
Maasoojussüsteemid.
Maasoojuspumbad.
Maasoojuspumpadeks nimetatakse koondnimetusega süsteeme, mis ammutavad soojust õhust erinevast keskkonnast. Siia alla kuuluvad pumbad, mis võivad soojusallikana kasutada põhjavett, pinnavett või pinnast. Nii saab pumbad grupeerida kolme põhilisse kategooriasse:
Kõik need installatsioonid koosnevad kolmest suuremast peamisest komponendist: 1) maaliide ehk soojusallikaga kontaktis olev osa; 2) pumba allsüsteem ja 3) soojusenergia jaotamise allsüsteem.
Soojusallikast energiat koguva komponendi järgi jaotatakse süsteemid veel omakorda suletud ja avatud soojussüsteemideks. Esimesel juhul ringleb torudes külmakandja, mis keskkonnast soojust kogub ning seda pumbani viib. Teisel juhul kantakse energia edasi veega, mis võetakse otse kaevust või pinnaveekogust.
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.
Soojuspuuraugud ja -kollektorid.
Soojuspuuraugud ja -kollektorid jagunevad vertikaalseteks ja horisontaalseteks süsteemideks. Horisontaalsed süsteemid on pinnasesse maetud 1–2 m allpool maapinda, paralleelselt asetsevate torudena, mille sees ringleb külmakandja. Need võivad olla üksikult, üksteise all kihiti või spiraalidena. See, kui palju torusid paigaldada, sõltub pinnase päikeseenergia akumulatsiooni ja konduktsiooni võimest, mis omakorda sõltuvad pinnase niiskussisaldusest ja lõimisest ehk terasuuruse jaotusest. Järgmises tabelis on esitatud mõned horisontaalsete süsteemide dimensioneerimiseks kasutatavad võimsused pindala kohta, sõltuvalt pinnase tüübist:
Vertikaalne süsteem võib koosneda ühest kuni sadadest puuraukudest, kus igas augus on üks või kaks U-kujulist toru, milles tsirkuleerib külmakandja. See pumbatakse torudest üles ja suunatakse maasoojuspumpa, kus toimub soojuse ülekandmine küttesüsteemi.
Puuraugu sügavus on 20–200 m ja diameeter 100–200 mm. Selles asuva U-toru diameeter on 20–40 mm. Puuraugud betoneeritakse peale sondi paigaldamist, luues sedaviisi kinnise süsteemi. Seetõttu ei ole vaja määrata ka sanitaarkaitseala ega veevõtukoha hooldusnõudeid.
Vertikaalsete süsteemide dimensioneerimiseks kasutatavad keskmised soojushulgad puuraugu jooksva meetri kohta, lähtudes kivimi tüübist, on esitatud järgmises tabelis:
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.
Maasoojussüsteemi karakteristikud.
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.