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.

Тепловой насос

Содержание

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.

Тепловой насос

Необходимо знать, что тепло в грунте 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.

Тепловой насос

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 громоздок.

Геотермальные тепловые насосы — нужно 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, требующие выполнения аналогичных земляных работ, то при строительстве горизонтального теплообменника в земле, на практике, также разрешение на его строительство может не потребоваться (лучше уточнить это в районных городских управлениях). Иначе, достаточно сообщить о намерении построить и подождать 30 дней для получения согласования.

Тепловой насос

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

А постройка вертикального теплообменника производится 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.

Бурение скважины под тепловой насос

Собираясь проводить буровые работы необходимо подать пакет документов с заявкой в компетентные органы 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 воздуха, поэтому грунтовой 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, называемой глубиной промерзания, температура всегда выше 0 градусов по Цельсию.

Тепловой насос

Глубина промерзания грунта в России нормируется СНиП 2.01.01-82, в котором эта глубина варьируется от 0,8 м до 2,4 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 1,5 м грунт 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 грунтовой тепловой насос? Принцип работы.

Для получения тепла из грунта нужен грунтовый теплообменник. Для этого просто помещается в землю труба, образующая 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 грунта. Проходя далее по трубе в земле, рассол постепенно нагревается. В конце снова попадает в испаритель, где отдает тепло.

Принцип работы теплового насоса

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

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

Бурение скважины под тепловой насос

Важно, чтобы объем теплообменника был большим – на весь отопительный сезон насос получает из грунта несколько мегаватт-часов тепла. Если он слишком мал, то подвергается чрезмерному охлаждению 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.

Грунтовой 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.

Бурение скважины под тепловой насос

Трубы горизонтального теплообменника укладываются в заранее подготовленном котловане с размерами, соответствующими требуемой 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 больше, чем 1,2 м с учетом вида грунта, из которого вытекает его способность к „регенерации” (добавления тепла). Чем дольше поверхность грунта замерзшая, тем больше должен быть интервал.

Бурение скважины под тепловой насос

Нужно помнить, что тепловая мощность теплообменника не вытекает из длины трубы, только от поверхности грунта, на котором она уложена. Небольшие зазоры не позволяют получать от него большего количества тепла, по причине необходимости применения длинной трубы. Это выражается в большей стоимости инвестиций, а также эксплуатации, потому что для перекачивания рассола через длинную трубу, необходим циркуляционный насос с большей мощностью. Из-за этого слишком большого зазора между трубами происходит то, что тепло не поступает в проектном 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 требуется информация о требуемой мощности 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 коэффициенте производительности Кп, то мощность охлаждения вычислим с достаточной точностью по формуле:

Qохл = (Кп – 1)/Кп • Qотопл.

Нужно обратить внимание, чтобы подставленные значения были достигнуты при температуре, соответствующей той, которая царит как в грунте, 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 горизонтального 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 дома 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 (отопления) 14 кВт для параметров 0/35, достигая при этом коэффициента эффективности Кп = 4,5. Мощность охлаждения составляет, следовательно, Qохл = (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 круглый год примерно 10 градусов Цельсия – то есть зимой почти на десять больше, чем на глубине 1,5 метра.

Тепловой насос

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, состоящей обычно из более, чем одного зонда.

Тепловой насос

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 могут быть приспособлен для использования дополнительной трубы для заполнения. В отверстия вталкивают головку, а вместе с ней и трубы теплообменника. Затем в скважину заливается жидкий бетон.

Бурение скважины под тепловой насос

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 теплообменника вертикального грунтового теплового насоса.

В этом случае важным является то, как вместе с глубиной изменяются свойства грунта. 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.

Тепловой насос

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 произвести исследование грунта в месте, в котором должно быть сделано бурение. 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 грунта и на этой основе рассчитать общую производительность каждого зонда.

Тепловой насос

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), необходимы отверстия с общей длиной L = 10 900/50 = 218 м, то есть, например, четыре по 55 метров.

Грунтовой 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 необходимая тепловая мощность насоса.

Компрессор теплового насоса

Если насос может отапливать дом, расположенный 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 проектной тепловой нагрузки. На столько же меньше будет стоимость изготовления грунтового теплообменника.

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

Какие трубы применяются для грунтового геотермального теплообменника теплового насоса?

Длина одной петли (контура) ограничена – 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 по техническим характеристикам 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, полибутиленовых (PB) и меди в оболочке из пластика.

Полиэтиленовые трубы PE100

Трубы грунтового теплообменника должна заполнять жидкость, которая не замерзает при отрицательной 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 воздействию – 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 промерзание грунта, что может привести к строительной катастрофе.

Рабочая жидкость в установке грунтового теплового насоса.

Ранее, в системах проводящих тепло из грунта, был использован раствор соли NaCl, отсюда и возник сегодня термин – соляные насосы. «Солянки» давно уже не применяются. Самым популярным является водный раствор пропиленгликоля, считающийся экологичным. Как правило, именно он рекомендуется для заполнения – он может покупаться, как готовая рабочая жидкость для такого использования. При его выборе необходимо руководствоваться рекомендациями производителя теплового насоса, так как жидкость может содержать различные добавки ингибиторов, стабилизаторов, антиоксидантов.

Водный раствор пропиленгликоля

Пропиленгликоль имеет не только достаточно низкую температуру застывания, но и не вызывает коррозии металлов, не растворяет пластик и не вызывает размывания насосов. Тем не менее, его плотность и вязкость, положительно влияющие 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 ядовитый и не подвергается биологическому разложению.

Водный раствор пропиленгликоля свойства

Хорошие свойства имеет также этанол. Его самое большое преимущество — это низкая вязкость и плотность, благодаря чему его прокачка поглощает меньше энергии. Применение его не является популярным из-за его воспламеняемости, интенсивного запаха, и, в первую очередь, отсутствия смазочных свойств, что грозит повреждением циркуляционного насоса. Поэтому некоторые производители запрещают его использование.

Тепловой насос: устройство и принцип работы. Видео урок.