Тепловой насос для отопления дома. Принцип работы и расчета

Грунтовой геотермальный тепловой насос для отопления дома обеспечивает в нашем климате значительно более низкую стоимость отопления, чем водяная система. Существенное влияние на его эффективное действие, имеет правильно спроектированный и изготовленный грунтовый теплообменник.

Тепловий насос для опалення будинку. Принцип роботи і розрахунку

Для кого разрабатываются геотермальные тепловые насосы.

Когда отопительная система еще находится в стадии проекта, не проблема настроить ее параметры для каждого теплового насоса.

Как правило, не существует препятствий для выполнения теплообменника, необходимого для получения тепла из грунта.

Тепловий насос для опалення будинку. Принцип роботи і розрахунку

Необходимо знать, что тепло в почве на глубине 1,5 м, поставляется почти исключительно из атмосферных осадков и солнечной энергии. Так что поверхность над теплообменником, по возможности, должна быть свободна и должна пропускать воду. Не допускается посадка на нем растений, корни которых могут в будущем повредить трубу.

Тепловий насос для опалення будинку. Принцип роботи і розрахунку

Также нужно брать во внимание то, что действие теплового насоса приводит к снижению температуры почвы на несколько градусов, что нарушает вегетацию растений. В связи с этим монтаж грунтового теплового насоса на благоустроенной даче, часто слишком громоздкий.

Геотермальные тепловые насосы – нужен ли разрешение на строительство или уведомление?

Среди перечисленных в действующем законодательстве строительных работ, выполнение которых не требует разрешения на строительство или уведомления, является установка теплового насоса. Но это не касается теплообменника. Но поскольку от обязанности получения разрешения освобождаются индивидуальные очистные сооружения сточных вод, требующих выполнения аналогичных земляных работ при строительстве горизонтального теплообменника в земле, на практике, также разрешение на его строительство может не понадобиться (лучше уточнить это в районных городских управлениях). Иначе, достаточно сообщить о намерении построить и подождать 30 дней для получения согласования.

Тепловий насос для опалення будинку. Принцип роботи і розрахунку

Земляные работы, связанные с монтажом такой установки могут подлежать ограничениям, предусмотренным водным кодексом, в случае проведения работ в защитной зоне водозабора.

А сооружение вертикального теплообменника проводится в соответствии с положениями законов геологического и горного Права. В этом случае требуется разработка проекта геологических работ, который необходимо предоставить в компетентные органы администрации не позднее, чем за восемь недель до предполагаемого срока начала работ.

Тепловий насос для опалення будинку. Принцип роботи і розрахунку

Собираясь проводить буровые работы необходимо представить пакет документов с заявкой до компетентных органов Государственной администрации, не позднее, чем за две недели до предполагаемого срока их начала. Бурение может быть выполнено только лицами с соответствующей квалификацией, в соответствии с выданным ордером на земляные работы.

Геотермальные тепловые насосы в нашем климате.


Температура грунта более стабильна, чем воздух, поэтому грунтовый тепловой насос не должен работать в широком диапазоне температур испарителя и его компоненты могут быть благодаря этому дешевле, чем воздушного насоса, с хорошими параметрами. На некоторой глубине под поверхностью земли, так называемой глубины промерзания, температура всегда выше 0 градусов по Цельсию.

Тепловий насос для опалення будинку. Принцип роботи і розрахунку

Глубина промерзания грунта в Украине нормируется ДбН.2.1-10. (п. 7.5.2; п. 7.5.3) , в котором эта глубина варьируется от 0,8 м до 1 м. Применяется также расчетный метод. На местном уровне, температура грунта может отличаться от этих значений (грунт может быть охлажден, например, от сильного ветра). Однако, на глубине большей, чем 1 м почва всегда имеет плюсовую температуру. Чем глубже, тем температура грунта более стабильна – его не охлаждает холодный воздух, но он и меньше нагревается в результате воздействия солнечных лучей.

Как действует грунтовый тепловой насос? Принцип работы.

Для получения тепла из грунта нужен грунтовый теплообменник. Для этого просто помещается в землю труба, которая образует петлю, в которой циркулирует жидкость – в народе ее называют рассолом. Петля (на практике их бывает несколько) проходит через испаритель теплового насоса, где температура рассола понижается и становится ниже, чем температура почвы. Проходя дальше по трубе в земле, рассол постепенно нагревается. В конце снова попадает в испаритель, где отдает тепло.

Тепловий насос для опалення будинку. Принцип роботи і розрахунку

Таким образом, рассол является посредником в обмене разницы температур между грунтом и испарителем насоса.

Теплообменник может быть горизонтальный или вертикальный. В выборе решения помогает размер земельного участка – для изготовления теплообменника нужно несколько сотен квадратных метров, а на вертикальные зонды достаточно несколько десятков.

Тепловий насос для опалення будинку. Принцип роботи і розрахунку

Важно, чтобы объем теплообменника был большим – на весь отопительный сезон насос получает из почвы несколько мегаватт-часов тепла. Если он слишком мал, то подвергается чрезмерного охлаждения и, как следствие, насос не может правильно работать. Система управления грунтового теплового насоса, как правило, выключает его, когда температура рассола снижается до -7 ° С, потому что ниже этого значения ход процессов в контуре чрезмерно нарушается.

Грунтовый тепловой насос с горизонтальным теплообменником.

В случае теплообменника из труб расположенных горизонтально, оптимальной считается глубина 0,2 – 0,5 м ниже границы промерзания. Однако, если на относительно небольшой глубине находится водоток, то лучшим решением является размещение труб именно в нем. Тогда тепловой насос достигает более высокого коэффициента производительности Кп.

Тепловий насос для опалення будинку. Принцип роботи і розрахунку

Трубы теплообменника укладываются в заранее подготовленном котловане с размерами, соответствующими необходимой поверхности теплообменника. Ведут их в виде змеевика (изгибами) по всей поверхности котлована, с соблюдением определенных интервалов между соседними участками. Интервалы не должны быть меньше, чем 0,4 м и не более 1,2 м с учетом вида грунта, из которого вытекает его способность к “регенерации” (добавление тепла). Чем дольше поверхность почвы замерзшая, тем больше должен быть интервал.

Тепловий насос для опалення будинку. Принцип роботи і розрахунку

Нужно помнить, что тепловая мощность теплообменника не вытекает из длины трубы, только от поверхности грунта, на котором она заключена. Небольшие зазоры не позволяют получать от него большего количества тепла, через необходимость применения длинной трубы. Это выражается в большей стоимости инвестиций, а также эксплуатации, потому что для перекачки рассолов через длинную трубу, необходим циркуляционный насос с большей мощностью. Из-за слишком большой зазор между трубами происходит то, что тепло не поступает в проектной количестве, так что мощность теплообменника получается меньше.

Проект грунтового теплообменника.

Проектирование грунтового теплообменника соответствующего размера – это ключ к правильной работе теплового насоса. Для расчета необходимой его величины нужна информация о необходимую мощность теплового насоса. Если ее нет в технических характеристиках устройства, то достаточно знать, что она соответствует тепловой мощности, уменьшенной на мощность компрессора. Если мы не знаем, какую мощность имеет компрессор, но у нас есть информация о коэффициент производительности Кп, то мощность охлаждения вычислим с достаточной точностью по формуле:

Qохл = (Кп – 1)/Кп • Qопал.

Нужно обратить внимание, чтобы подставлены значения были достигнуты при температуре, соответствующей той, которая царит как в почве, так и в отопительной системе во время работы насоса на полную мощность (например, 0/35 – температура рассола 0 градусов Цельсия, системы отопления 35 градусов Цельсия).

Расчет поверхности теплообменника горизонтального грунтового теплового насоса.

Сила, с которой грунтовый теплообменник передает тепло, зависит от типа почвы, а именно от ее влажности. В зависимости от этого, для расчета поверхности теплообменника принимают следующие значения тепловой мощности грунта qg (для полиэтиленовых труб):

  • песчаный сухой – 10 Вт/м2
  • песчаный, влажный – 15-20 Вт/м2
  • глинистый сухой – 20-25 Вт/м2
  • глинистый, влажный – 25-30 Вт/м2
  • мокрый (водоносный) – 35-40 Вт/м2.

Конечно, это ориентировочные значения.

Трудно оценить, является ли грунт таким же по всей области, предназначенной на теплообменник до тех пор, пока не начнут его строить, поэтому для расчета лучше принять меньшее значение. В правильно сделанной системе компрессор теплового насоса работает от 1800 до 2400 часов в год, производительность тепла грунта приводит к удлинению рабочего времени.

Поверхность теплообменника рассчитывают по формуле:

А = Q/qg

Пример: потребность здания в энергии для отопления составляет 14 кВт, и насос будет их удовлетворять в полном объеме (должен работать в системе моновалентной). Выбранное устройство получает тепловую мощность (отопление) 14 кВт для параметров 0/35, достигая при этом коэффициента эффективности Кп = 4,5. Мощность охлаждения составляет, следовательно, Qохол = (4,5-1) / 4,5 • 14 = 10,9 кВт, то есть 10900 W. Теплообменник должен быть изготовлен в грунте, глинистом сухом, поэтому его площадь должна составлять А = 10 900/20 = 545 м2. Обращается внимание на то, что в случае водоносного грунта теплообменник может быть в два раза меньше, но если грунт песчаный, то его площадь займет более 1000 м2. В такой ситуации лучшим решением является размещение труб по вертикали.

Теплообменник вертикального грунтового теплового насоса.

Тепловой насос достигает более высокого коэффициента производительности Кп, когда трубки теплообменника располагаются в земле вертикально на глубине 40-150 м. Это связано с тем, что на глубине ниже 10 м температура грунта составляет целый год примерно 10 градусов Цельсия – то есть зимой почти на десять больше, чем на глубине до 1 метра.

Тепловий насос для опалення будинку. Принцип роботи і розрахунку

Выполнение теплообменника вертикального, однако, явно дороже, чем горизонтального. Это вертикальные отрезки трубы, образующей петлю (труба проходит вниз через отверстия, на дне она разворачивается и ведется вверх). Их называют геотермальными зондами. В этом случае рассчитываются не по площади, а по общей длине теплообменника, состоящая обычно из более, чем одного зонда.

Тепловий насос для опалення будинку. Принцип роботи і розрахунку

В вертикальных скважинах помещают по одной или по две пары труб (зонда типа U или Y). Введение трубы для скважины облегчает головка – элемент, соединяющий вертикальные трубы, который может быть приспособлен для использования дополнительной трубы для заполнения. В отверстия заталкивают головку, а вместе с ней и трубы теплообменника. Затем в скважину заливается жидкий бетон.

Тепловий насос для опалення будинку. Принцип роботи і розрахунку

В теплообменнике типа Y в одной трубе жидкость течет вниз к головке, а в другой с нее возвращается. В теплообменнике типа двойной U – течет двумя трубами вниз и двумя вверх.

Расстояние между точками бурения глубиной до 50 м не должно быть меньше 5 м, а в случае более глубоких от 8 до 15 метров. Должны быть расположены на линии, перпендикулярной к направлению потока воды.

Расчет длины вертикального теплообменника геотермального теплового насоса.

В этом случае важным является то, как вместе с глубиной изменяются свойства почвы. Сведения могут предоставить геологические карты и документация скважин, ранее сделанных вблизи. На этой основе можно оценить толщину отдельных слоев грунта и вычислить среднее значение коэффициента теплопроводности для области, в которой должны быть размещены трубки теплообменника.

Тепловий насос для опалення будинку. Принцип роботи і розрахунку

Расчеты, однако, не в состоянии учесть всех движений грунтовых вод и на практике часто случается, что полученный результат значительно отличается от реальности. Чтобы иметь уверенность в том, что вертикальный теплообменник будет работать должным образом, необходимо провести исследование грунта в месте, в котором должно быть сделано бурения. В этом случае производительность тепла грунта qg также зависит от его типа.

Для труб ПЭ80 составляет:

  • грунт песчаный сухой – 10-12 Вт/м;
  • песчаный мокрый – 12-16 Вт/м;
  • средне-глинистый сухой – 16-18 Вт/м;
  • средне-глинистый мокрый – 19-21 Вт/м;
  • тяжелый глинистый сухой – 18-19 Вт/м;
  • тяжелый глинистый мокрый – 20-22 Вт/м;
  • мокрый (водоносный) – 25-30 Вт/м.

Нужно учитывать толщину отдельных слоев определенного типа почвы и на этой основе рассчитать общую производительность каждого зонда.

Тепловий насос для опалення будинку. Принцип роботи і розрахунку

Производительность тепла грунта, в котором оба слоя сухие, как и водоносных горизонтов, при применении зондов типа двойной U (четыре трубы в скважине), составляет в среднем около 50 Вт / м. Ориентировочно можно принять, что в случае теплового насоса заявителей в примере расчета теплообменника горизонтального (мощностью охлаждения 10,9 кВт), необходимые отверстия с общей длиной L = 10 900/50 = 218 м, то есть, например, четыре по 55 метров.

Грунтовый тепловой насос: чем меньше мощность тем дешевле установка.

Стоимость инвестиций прямо пропорциональна тепловой мощности установки. Поэтому, несмотря на то, что коэффициент производительности насоса для грунтовых вод не уменьшается с приходом сильного мороза, стоит рассмотреть применение теплового насоса в бивалентной системе.

Проще всего оборудовать ее электрическим проточным нагревателем воды (как правило, предлагается в качестве дополнительного оборудования – для установки в корпусе теплового насоса). Затем определяется точка бивалентности и для нее определяется требуемая тепловая мощность насоса.

Тепловий насос для опалення будинку. Принцип роботи і розрахунку

Если насос может отапливать дом, расположен в III климатической зоне и принимается, что ниже температуры наружного воздуха -10 градусов по Цельсию может ее продвинуть электрический нагреватель, то его тепловая мощность может быть на 25% меньше от проектного тепловой нагрузки. На столько же меньше будет стоимость изготовления грунтового теплообменника.

В рассматриваемом примере вместо мощности 10,9 кВт, довольно 8,2 кВт. А, в связи с этим, площадь теплообменника может иметь 410 м2 вместо 545 м2 и глубина вертикального 164 м вместо 218 метров. Кроме низкой цены, преимуществом является, следовательно, также меньшее количество необходимого места.

Какие трубы применяются для грунтового геотермального теплообменника теплового насоса?

Длина одной петли (контура) ограничено – это связано с мощностью циркуляционного насоса, которым геотермальные тепловые насосы, как правило, на заводе оборудованы (если нет, то длина труб и соответствующий циркуляционный насос подбирается дизайнером системы). Допустимую длину трубы следует считать с техническими характеристиками устройства. Она зависит от диаметра и от типа используемой рабочей жидкости (рассола).

В случае тепловых насосов с мощностью двигателя до десятков киловатт применяются от одной до четырех петель по 100 – 400 м из труб диаметром от DN25 до DN65 (в зависимости от материала трубы). Для выполнения горизонтальных теплообменников используется чаще всего полиэтиленовые трубы PE100 (если в грунте нет камней) или PE100 RC для скалистой породы. Для вертикальных можно использовать трубы PE80. Вертикальные грунтовые теплообменники тоже сделаны из труб PE-X, полибутиленовые (PB) и меди в оболочке из пластика.

Тепловий насос для опалення будинку. Принцип роботи і розрахунку

Трубы грунтового теплообменника должна заполнять жидкость, которая не замерзает при минусовой температуре, для определенности предполагается, что до -15 градусов Цельсия, хотя тепловой насос имеет защиту для отключения ее при -7 градусов (в таком случае перестает охлаждать грунт).

Поскольку атмосферный воздух бывает еще холоднее, труба теплообменника не может быть ни в одном месте подвержена его влиянию – должна быть заглубленной в земле не менее 0,5 м. Возле прохода труб через стену здания теплоизоляция их необходима на расстоянии 2 м от фундамента, чтобы не происходило промерзания грунта, что может привести к строительной катастрофы.

Рабочая жидкость в установке грунтового теплового насоса.

Ранее, в системах которые проводят тепло из почвы, был использован раствор соли NaCl, отсюда и возник сегодня срок – соляные насосы. “Солянка” давно уже не применяются. Самым популярным является водный раствор пропиленгликоля, что считается экологическим. Как правило, именно он рекомендуется для заполнения – он может приобретаться, как готова рабочая жидкость для такого использования. При его выборе необходимо руководствоваться рекомендациями производителя теплового насоса, так как жидкость может содержать различные добавки ингибиторов, стабилизаторов, антиоксидантов.

Тепловий насос для опалення будинку. Принцип роботи і розрахунку

Пропиленгликоль имеет не только достаточно низкую температуру застывания, но и не вызывает коррозии металлов, не растворяет пластик и не вызывает размывание насосов. Однако, его плотность и вязкость, положительно влияют на количество энергии, необходимой для прокачки, больше, чем воды, поэтому его используют в не очень большой концентрации (34%). Есть, конечно, много жидкостей, которые не замерзают при температуре -15 градусов Цельсия. Часто используется также раствор этиленгликоля, но он считается вредным для окружающей среды, потому что ядовит и не поддается биологическому разложению.

Тепловий насос для опалення будинку. Принцип роботи і розрахунку

Хорошие свойства имеет также этанол. Его самое большое преимущество – это низкая вязкость и плотность, благодаря чему его прокачки поглощает меньше энергии. Применение его не является популярным из-за его воспламеняемость, интенсивный запах, и, в первую очередь, отсутствие смазочных свойств, что грозит повреждением циркуляционного насоса. Поэтому некоторые производители запрещают его использование.

Тепловой насос: устройство и принцип работы. Видео урок.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Все о строительстве и ремонте!
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: