地熱冷暖房システムについて
エネルギー排出量と二酸化炭素排出量の削減がますます重視されるようになり、地熱暖房および冷房システムは全米の住宅所有者に人気を博しています。地熱システムは 1940 年代から設置されており、基本的な給湯の提供から始まりました。時間の経過とともに、空気処理システムに新しい技術と進歩を組み込むことで、地熱システムは従来の HVAC システムに代わる商業的に実行可能な代替品として適したものになりました。
地中熱ヒート ポンプ (GSHP) とも呼ばれる地熱冷暖房システムは、地面と熱を交換することによって冷暖房を提供します。これらのシステムは、地面の温度が年間を通して比較的一定で、45 から 75 F の範囲にあるという事実を利用しています。季節に応じて、地面は熱源またはヒートシンクとして機能します。
地熱ヒート ポンプの主な利点は、他の加熱または冷却システムよりも 25% から 50% 少ない電力を使用することです。また、初期導入コストは高くなる可能性がありますが、投資回収期間が 6 ～ 7 年と比較的短いため、先行投資を補うことができます。この期間が過ぎると、メンテナンスの手間がかからず、エネルギー効率に優れた家庭用 HVAC システムになります。
すべての地熱冷却および加熱システムには、いくつかの共通コンポーネントがあります。これらには、熱交換流体を地面に移動させて戻すためのメカニズム、流体を移動させるためのヒート ポンプ、および分配システムが含まれます。
これらの各サブシステムとその役割を見てみましょう。
地熱ループ システム
あらゆる種類の地熱システムは、地下に配置された熱交換器として使用される相互接続されたパイプのメッシュを採用しています。空気が冷たくて地面が暖かい冬には、これらのコイル内の冷媒が地面から熱を吸収して建物に伝達します。熱が建物から吸収されて地面に放出される夏には、同じプロセスが逆になります。
このループ システムは、地熱ヒート ポンプに接続します。システムが空気を加熱する場合は、コンプレッサー、ポンプ、およびオプションのエア ハンドラー ユニットが含まれます。この空気は、ダクトと通気口のシステムを使用して家中に循環されます。
地熱システムは、熱交換器の設計に従って分類されます。それらは、閉じたループ、開いたループ、垂直、水平、池のループ、またはスリンキーループにすることができます.閉ループ システムは、システム内の既存の冷媒を再循環させます。一方、開ループ システムでは、この場合の冷媒はほとんどが水であるため、淡水湖または地下帯水層を使用して冷媒を常に更新します。
閉ループ地熱システム
閉ループ システムは、地熱システムに使用される一般的なタイプです。不凍液または別の適切な冷媒と混合された水が熱交換器コイル内で使用され、熱交換媒体として機能します。システム内の流体を継続的に補充する必要はありません。このシステムは、地中の熱交換器ループの方向に応じてさらに分割できます。
垂直ループ
明らかなように、このタイプの熱交換器は垂直に配置されています。深さ 400 フィートまでの穴が開けられ、その中に U チューブが配置されます。次に、異なる穴にある複数の U チューブを接続して閉じたネットワークを形成し、ポンプとコンプレッサー (存在する場合) に接続します。
次に、ボアホールにグラウトを充填して、U チューブと地面の間の熱伝導性を向上させます。掘削孔の数、それらの間隔、深さ、および U チューブ内の流体の量はすべて、土壌の特性、家の冷暖房の必要性、温度変化によって異なります。
この配置の利点は、水平ループに比べて小さな表面積内に配置できることです。これは、不動産が高額になることが多い市街地にある小さな住宅所有者や学校に最適です。しかし、ボアホールが崩壊しないように十分な強度を確保するための予防措置を講じる必要があります。さらに、掘削された下層土は、近くに建物を保持できるはずです.
水平ループ
水平ループ システムは、地面に沿って水平方向に配置されたパイプで構成されます。フロストラインよりも深く、浅くて長い溝を掘り、その中にU字管を入れます。通常、深さは 1 ～ 3 メートルです。特定の要件に応じて、長さは最大 400 フィートになります。
深さは、水平ループ システムの加熱および冷却特性に大きな影響を与える可能性があります。浅すぎると、地面がまだ比較的冷たい冬から夏への変わり目に、ループが太陽からの熱を吸収する可能性があります。これにより、システムの暖房能力が向上します。しかし、逆効果は、冬の間、ループが地表に近いため、より速い速度で冷却されることです.
この問題は、ループの深さを増やすことで解消でき、設置コストの増加はエネルギーの節約によって相殺されます。別の解決策は、ループの上に非熱伝導性の最上層を使用することです。これにより、ループが表土や大気の温度変化の影響を受けるのを防ぎます。
水平ループ システムは、大規模な農家や田園地帯など、掘り起こすことができる土地が大量にある地域により適しています。
スリンキー ループ
水平ループと同様に、水平ループを使用する必要がある場合にスリンキー ループを使用しますが、十分なスペースがありません。コイル状のパイプは、水平ループに似た浅い溝に配置されます。これらのループは、トレンチの底に配置されると互いに重なります。これにより、流体がパイプ内を通過する距離は同じになりますが、システム全体のカバレッジの長さが短くなります。
池のループ
これらのシステムは、適切な水域が近くにある場合に使用されます。ループは水中に沈めるか、水域のベッドに置くことができます。このようなシステムには、掘削や穴あけのコストがかからず、障害や漏水が発生した場合に、ループ システムを簡単に引き抜くことができます。温度の表面効果がループ内で変換されないように、水域は十分に深くする必要があります。
開ループ地熱システム
オープン ループ システムは、あらゆる形態の地熱暖房システムの中で最も単純です。地下の帯水層、温泉、または別の適切な水源から水を引き出すために、開放端のパイプが使用されます。この水は、ヒートポンプ内の熱交換器を通過します。使用済みの水は、取水口から適切な距離にある同じ水源内に排出されます。ただし、開ループ システムにはいくつかの課題があります。
入力水が十分にきれいで、ヒートポンプや熱交換器に損傷を与えないように適切なミネラル組成を持っていることを確認するために、細心の注意を払う必要があります。水に溶解した化学物質または固体は、熱交換器の材料と反応し、腐食促進剤として機能する可能性があります。石灰スケールがパイプの内部に形成される可能性があり、その結果、水の流れが減少します。
さらに、場所によっては、排出される水を処理してから放流する必要がある環境規制もあります。規制がさらに厳しくなると、水の排出が完全に禁止される可能性があるため、クローズド ループ システムが必要になります。
地熱ヒートポンプ
ほとんどすべてのタイプの地熱システムには、ヒートポンプが付属しています。通常、キャビネット内の見えない場所に設置されます。地熱ヒート ポンプは、圧縮機、熱交換器、およびその他の関連制御システムで構成されています。冷暖房システムが空気を使用して内部空間を調整する場合、空気処理ユニットもパッケージの一部です。
ヒート ポンプは、グランド ループ内の冷媒 (通常は水) とダクト内の媒体との間で熱を交換することによって機能します。冬の間、水は地面から熱を吸収し、ヒート ポンプの熱交換器に移動します。その後、冷媒は圧縮されて温度が上昇し、気体になります。冷媒内の熱は、熱交換器を使用して抽出され、家中のダクトまたはパイプのシステムを通過します。熱を分散させるために空気を使用する場合、最後のステップは通常、エア ハンドリング ユニットで行います。
このプロセスは、夏の間は逆になります。地熱冷却では、冷媒が屋内から熱を吸収し、地下ループを通じて地面に排出します。
地熱分配システム
ダクト空調システムと同様に、地熱システムもダクトシステムを採用しています。これにより、地熱システムは、ダクトがすでに設置されている住宅の改修プロジェクトに特に適しています。その後、既存のダクトをこの目的に利用できます。
これは、液体から空気へのシステムと呼ばれる、空気を使用して建物全体に熱を伝達するシステムに当てはまります。大きなファンであるエア ハンドリング ユニットは、ダクトを介して大量の空気を移動させます。しかし、一部のシステムでは、家の基礎構造に埋め込まれたパイプを使用して、またはラジエーター スペース ヒーターを介して、家全体に水が直接汲み上げられます。このような配置は水対水と呼ばれます。
水から水へのシステムは、家庭用の給湯器としても使用できます。地熱ヒート ポンプは、流水を快適な 120 F に保つことができます。これは、ボイラーで達成するために必要な 150-200 F よりも低くなります。しかし、地熱システムで水を予熱すると、ボイラーでエネルギーを節約できます。
水から水への配置は、冷暖房用の配水システムの一般的なオプションです。ループは、フローリングの下または壁の中に埋め込まれています。これらのループは見えないままであり、加熱と冷却を提供しながら騒音を発生させません。もう 1 つの選択肢は、ベースボード ヒーティング システムを地熱システムと組み合わせて使用することです。ただし、このオプションには注意して、家の適切なサイズと暖房の要件について専門家に相談してください。
地熱冷暖房の設置費用
地熱システムは、現代の家庭用暖房および冷房システムよりも初期投資が高くなりますが、これらのコストは徐々に減少しています。地熱システム市場は年間約 12% の成長率で、ますます多くのメーカーが競争を激化させ、価格を引き下げています。
平均して、家庭用地熱システムの費用は 10,000 ～ 30,000 ドルです。正確な量は、土壌の特性、掘削する領域、垂直ループ システムか水平ループ システムか、住宅内の調整エリア、以前のダクト工事、および設置の品質によって異なります。ハイエンド バージョンはこれよりもさらに高くなる場合があります。
さらに、水対空気と水対水のどちらを選択するかもコストに影響します。水から空気へのヒート ポンプは、2 つの中でより経済的な選択肢です。
掘削と掘削は、地熱システムの設置にかかる総コストの半分以上になる可能性があります。システム全体の地熱ヒートポンプの設置も費用がかかる可能性があります。米国エネルギー省によると、地熱の冷暖房費は平均で 1 トンあたり 2,500 ドルです。
地熱冷暖房システムの利点
地熱システムが提供する利点は数多くあります。それらのいくつかを見てみましょう:
- エネルギー効率
効率に関する限り、地熱暖房および冷房システムは、従来の空調よりはるかに優れています。その主な理由は、地熱ヒート ポンプ システムが熱を暑い屋外環境に排出するのではなく、涼しい環境に移動させることです。
前に説明したように、地熱システムは驚異的な 50% までエネルギーを節約できます。これは、暑い夏には天の恵みのように思えます。これは、従来のシステムの 15 と比較して、地熱システムの高いエネルギー効率比が 25 に達することに一部起因しています。したがって、地熱冷却は夏の請求額に大きな影響を与える可能性があります.
- 利便性
地熱システムには、従来の HVAC システムのように、注意が必要な部品が多くありません。ダクトはありません。ダンパーやルーバーはありません。燃料をチェックする必要はありません。冬は炉を維持し、夏はヒートポンプを維持する必要はありません。地熱システムの 2 つの主要コンポーネントは、グランド ループとヒート ポンプです。グランド ループは最初に取り付けられているため、再度手入れを行う必要はほとんどありません。
- メンテナンスの軽減
従来のエアコンの平均寿命は約 10 ～ 15 年です。しかし、これは適切なケアとメンテナンスの後でのみです。適切な HVAC ケアを怠ると、寿命が短くなる可能性があります。
一方、地熱暖房または冷房システムは、20 年から 50 年の寿命があります。最小限のメンテナンスが必要です。グランド ループを定期的にチェックする必要がなく、システムは長期間動作し続けることができます。これは、地熱システムが一年中過酷な要素にさらされていないためです。従来の HVAC システムは、空気中に存在する有害な汚染物質とともに、風や温度変化にさらされています。
地熱冷暖房システムによる節約
コストについては十分です。節約について話しましょう。現時点では、地熱システムを設置した住宅は 30% の連邦税額控除の対象となります。これに加えて、ほとんどの州または電力会社は、地熱エネルギー システムを使用する住宅にリベートまたは助成金を提供しています。これにより、地熱ヒートポンプのコストも大幅に削減できます。リベートの対象かどうかを確認するには、再生可能エネルギーと効率に対する州のインセンティブのデータベースにアクセスしてください。
電気料金も急降下します。家庭でのエネルギー使用量の推定 42% は暖房のニーズです。サイトの仕様にもよりますが、地熱システムを使用すると、この使用量を 50% 削減できます。温室効果ガス排出の場合も同じです。
平均寿命は 20 ～ 25 年で、地熱暖房および冷房システムは、その寿命中に最大 75,000 ドルのエネルギーを節約できます。ペイオフ期間はそれよりもはるかに短く、平均で 5 ～ 8 年です。おわかりのように、地熱の暖房と冷房のコストは最初は高くても、長期的には元が取れます。
地熱システムを検討すべきですか?
はいぜったいに。地熱システムによって得られるエネルギーの節約と排出量の削減は、地熱システムを魅力的な提案にしています。地熱システムが完全なパッケージを提供しない場合でも、補助システムとして使用できます。
最終的な選択は、特定の状況によって異なります。それが新しい家であるか古い家であるか、必要な冷暖房能力などです。財政も考慮する必要があります。地熱ヒートポンプのコストは法外に見える場合があります。ただし、いつものように、HVAC システムの場合は、お金を使う前に経験豊富な専門家に相談してください!