Тепловий насос для опалення будинку. Принцип роботи і розрахунку

Грунтовій геотермальний тепловий насос для опалення будинку забезпечує в нашому кліматі значно нижчу вартість опалення, ніж водяна система. Істотний вплив на його ефективну дію, має правильно спроектований і виготовлений грунтовий теплообмінник.

Тепловий насос

Содержание

Для кого розробляються геотермальні теплові насоси.

Коли опалювальна система ще знаходиться в стадії проекту, не проблема налаштувати її параметри для кожного теплового насоса.

Як правило, не існує перешкод для виконання теплообмінника, необхідного для отримання тепла з грунту.

Тепловий насос

Необхідно знати, що тепло в грунті на глибині 1,5 м, поставляється майже виключно з атмосферних опадів і сонячної енергії. Так що поверхня над теплообмінником, по можливості, повинна бути вільна і повинна пропускати воду. Не допускається посадка на ньому рослин, коріння яких можуть в майбутньому пошкодити трубу.

Тепловий насос

Також потрібно брати до уваги те, що дія теплового насоса призводить до зниження температури грунту на кілька градусів, що порушує вегетацію рослин. У зв’язку з цим монтаж грунтового теплового насоса на упорядкованій дачі, часто занадто громіздкий.

Геотермальні теплові насоси – чи потрібний дозвіл на будівництво або повідомлення?

Серед перерахованих в чинному законодавстві будівельних робіт, виконання яких не потребує дозволу на будівництво або повідомлення, є установка теплового насоса. Але це не стосується теплообмінника. Але оскільки від обов’язку отримання дозволу звільняються індивідуальні очисні споруди стічних вод, що вимагають виконання аналогічних земляних робіт, то при будівництві горизонтального теплообмінника в землі, на практиці, також дозвіл на його будівництво може не знадобитися (краще уточнити це в районних міських управліннях). Інакше, досить повідомити про намір побудувати і почекати 30 днів для отримання погодження.

Тепловий насос

Земляні роботи, пов’язані з монтажем такої установки можуть підлягати обмеженням, передбаченим водним кодексом, в разі проведення робіт в захисній зоні водозабору.

А споруда вертикального теплообмінника проводиться відповідно до положень законів геологічного і гірського Права. У цьому випадку потрібна розробка проекту геологічних робіт, який необхідно надати в компетентні органи адміністрації не пізніше, ніж за вісім тижнів до передбачуваного терміну початку робіт.

Буріння свердловини під тепловий насос

Збираючись проводити бурові роботи необхідно подати пакет документів із заявкою до компетентних органів Державної адміністрації, не пізніше, ніж за два тижні до передбачуваного терміну їх початку. Буріння може бути виконано тільки особами з відповідною кваліфікацією, відповідно до виданого ордером на земляні роботи.

Геотермальні теплові насоси в нашому кліматі.

Температура грунту більш стабільна, ніж повітря, тому грунтовий тепловий насос не повинен працювати в широкому діапазоні температур випарника і його компоненти можуть бути завдяки цьому дешевше, ніж повітряного насоса, з хорошими параметрами. На деякій глибині під поверхнею землі, так званої глибини промерзання, температура завжди вище 0 градусів за Цельсієм.

Тепловий насос

Глибина промерзання грунту в Україні нормується ДбН В.2.1-10. (п. 7.5.2; п. 7.5.3) , в якому ця глибина варіюється від 0,8 м до 1 м. Застосовується також розрахунковий метод. На місцевому рівні, температура грунту може відрізнятися від цих значень (грунт може бути охолоджений, наприклад, від сильного вітру). Однак, на глибині більшій, ніж 1 м грунт завжди має плюсову температуру. Чим глибше, тим температура грунту більш стабільна – його не охолоджує холодне повітря, але він і менше нагрівається в результаті впливу сонячних променів.

Як діє грунтовий тепловий насос? Принцип роботи.

Для отримання тепла з грунту потрібен грунтовий теплообмінник. Для цього просто поміщається в землю труба, яка утворює петлю, в якій циркулює рідина – в народі її називають розсолом. Петля (на практиці їх буває кілька) проходить через випарник теплового насоса, де температура розсолу знижується і стає нижче, ніж температура грунту. Проходячи далі по трубі в землі, розсіл поступово нагрівається. В кінці знову потрапляє у випарник, де віддає тепло.

Принцип роботи теплового насоса

Таким чином, розсіл є посередником в обміні різниці температур між грунтом і випарником насоса.

Теплообмінник може бути горизонтальний або вертикальний. У виборі рішення допомагає розмір земельної ділянки – для виготовлення горизонтального теплообмінника потрібно кілька сотень квадратних метрів, а на вертикальні зонди досить кілька десятків.

Буріння свердловини під тепловий насос

Важливо, щоб обсяг теплообмінника був великим – на весь опалювальний сезон насос отримує з грунту кілька мегават-годин тепла. Якщо він занадто малий, то піддається надмірного охолодження і, як наслідок, насос не може правильно працювати. Система управління грунтового теплового насоса, як правило, виключає його, коли температура розсолу знижується до -7 ° С, тому що нижче цього значення хід процесів в контурі надмірно порушується.

Грунтовий тепловий насос з горизонтальним теплообмінником.

У разі теплообмінника з труб розташованих горизонтально, оптимальною вважається глибина 0,2 – 0,5 м нижче межі промерзання. Однак, якщо на відносно невеликій глибині знаходиться водотік, то кращим рішенням є розміщення труб саме в ньому. Тоді тепловий насос досягає більш високого коефіцієнта продуктивності Кп.

Буріння свердловини під тепловий насос

Труби горизонтального теплообмінника укладаються в заздалегідь підготовленому котловані з розмірами, відповідними необхідної поверхні теплообмінника. Ведуть їх у вигляді змійовика (вигинами) по всій поверхні котловану, з дотриманням певних інтервалів між сусідніми ділянками. Інтервали не повинні бути менше, ніж 0,4 м і не більше, ніж 1,2 м з урахуванням виду ґрунту, з якого випливає його здатність до “регенерації” (додавання тепла). Чим довше поверхня грунту замерзла, тим більше повинен бути інтервал.

Буріння свердловини під тепловий насос

Потрібно пам’ятати, що теплова потужність теплообмінника не випливає з довжини труби, тільки від поверхні грунту, на якому вона укладена. Невеликі зазори не дозволяють отримувати від нього більшої кількості тепла, через необхідність застосування довгої труби. Це виражається в більшій вартості інвестицій, а також експлуатації, тому що для перекачування розсолів через довгу трубу, необхідний циркуляційний насос з більшою потужністю. Через занадто великий зазор між трубами відбувається те, що тепло не надходить в проектній кількості, так що потужність теплообмінника виходить менше.

Проект грунтового теплообмінника.

Проектування грунтового теплообмінника відповідного розміру – це ключ до правильної роботі теплового насоса. Для розрахунку необхідної його величини потрібна інформація про необхідну потужність теплового насоса. Якщо її немає в технічних характеристиках пристрою, то достатньо знати, що вона відповідає теплової потужності, зменшеної на потужність компресора. Якщо ми не знаємо, яку потужність має компресор, але у нас є інформація про коефіцієнт продуктивності Кп, то потужність охолодження обчислимо з достатньою точністю за формулою:

Qохл = (Кп – 1)/Кп • Qопал.

Потрібно звернути увагу, щоб підставлені значення були досягнуті при температурі, що відповідає тій, яка панує як в грунті, так і в опалювальній системі під час роботи насоса на повну потужність (наприклад, 0/35 – температура розсолу 0 градусів Цельсія, системи опалення 35 градусів Цельсія).

Розрахунок поверхні теплообмінника горизонтального ґрунтового теплового насоса.

Сила, з якою грунтовий теплообмінник передає тепло, залежить від типу грунту, а саме від її вологості. Залежно від цього, для розрахунку поверхні горизонтального теплообмінника приймають наступні значення теплової потужності грунту qg (для поліетиленових труб):

  • піщаний сухий – 10 Вт/м2
  • піщаний, вологий – 15-20 Вт/м2
  • глинистий сухий – 20-25 Вт/м2
  • глинистий, вологий – 25-30 Вт/м2
  • мокрий (водоносний) – 35-40 Вт/м2.

Звичайно, це орієнтовні значення.

Важко оцінити, чи є грунт таким же по всій області, призначеної на теплообмінник до тих пір, поки не почнуть його будувати, тому для розрахунку краще прийняти менше значення. В правильно зробленої системі компресор теплового насоса працює від 1800 до 2400 годин на рік, продуктивність тепла грунту призводить до подовження робочого часу.

Поверхня теплообмінника розраховують за формулою:

А = Q/qg

Приклад: потреба будинку в енергії для опалення становить 14 кВт, і насос буде їх задовольняти в повному обсязі (повинен працювати в системі моновалентною). Вибраний пристрій отримує теплову потужність (опалення) 14 кВт для параметрів 0/35, досягаючи при цьому коефіцієнта ефективності Кп = 4,5. Потужність охолодження становить, отже, Qохол = (4,5-1) / 4,5 • 14 = 10,9 кВт, тобто 10900 W. Теплообмінник повинен бути виготовлений в грунті, глинистому сухому, тому його площа повинна складати А = 10 900/20 = 545 м2. Звертається увага на те, що в разі водоносного грунту теплообмінник може бути в два рази менше, але якщо грунт піщаний, то його площа займе більше 1000 м2. У такій ситуації найкращим рішенням є розміщення труб по вертикалі.

Теплообмінник вертикального грунтового теплового насоса.

Тепловий насос досягає більш високого коефіцієнта продуктивності Кп, коли трубки теплообмінника розташовуються в землі вертикально – на глибині 40-150 м. Це пов’язано з тим, що на глибині нижче 10 м температура грунту становить цілий рік приблизно 10 градусів Цельсія – тобто взимку майже на десять більше, ніж на глибині до 1 метра.

Тепловий насос

Виконання теплообмінника вертикального, однак, явно дорожче, ніж горизонтального. Це вертикальні відрізки труби, що утворює петлю (труба проходить вниз через отвори, на дні вона розгортається і ведеться вгору). Їх називають геотермальними зондами. В цьому випадку розраховуються не по площі, а по загальній довжині теплообмінника, що складається зазвичай з більш, ніж одного зонда.

Тепловий насос

У вертикальних свердловинах поміщають по одній або по дві пари труб (зонда типу U або Y). Введення труби для свердловини полегшує головка – елемент, що з’єднує вертикальні труби, який можуть бути пристосований для використання додаткової труби для заповнення. В отвори заштовхують головку, а разом з нею і труби теплообмінника. Потім в свердловину заливається рідкий бетон.

Буріння свердловини під тепловий насос

В теплообміннику типу Y в одній трубі рідина тече вниз до голівки, а в інший з неї повертається. В теплообміннику типу подвійної U – тече двома трубами вниз і двома вгору.

Відстань між точками буріння глибиною до 50 м не повинно бути менше 5 м, а в разі глибших від 8 до 15 метрів. Повинні бути розташовані на лінії, перпендикулярній до напрямку потоку води.

Розрахунок довжини теплообмінника вертикального грунтового теплового насоса.

У цьому випадку важливим є те, як разом з глибиною змінюються властивості грунту. Відомості можуть надати геологічні карти і документація свердловин, раніше зроблених поблизу. На цій основі можна оцінити товщину окремих шарів грунту і обчислити середнє значення коефіцієнта теплопровідності для області, в якій повинні бути розміщені трубки теплообмінника.

Тепловий насос

Розрахунки, однак, не в змозі врахувати всіх рухів грунтових вод і на практиці часто трапляється, що отриманий результат значно відрізняється від реальності. Щоб мати впевненість у тому, що вертикальний теплообмінник буде працювати належним чином, необхідно провести дослідження грунту в місці, в якому має бути зроблено буріння. У цьому випадку продуктивність тепла грунту qg також залежить від його типу.

Для труб ПЕ80 становить:

  • грунт піщаний сухий – 10-12 Вт/м;
  • піщаний мокрий – 12-16 Вт/м;
  • середньо-глинистий сухий – 16-18 Вт/м;
  • середньо-глинистий мокрий – 19-21 Вт/м;
  • важкий глинистий сухий – 18-19 Вт/м;
  • важкий глинистий мокрий – 20-22 Вт/м;
  • мокрий (водоносний) – 25-30 Вт/м.

Потрібно враховувати товщину окремих шарів певного типу грунту і на цій основі розрахувати загальну продуктивність кожного зонда.

Тепловий насос

Продуктивність тепла грунту, в якому обидва шару сухі, як і водоносних горизонтів, при застосуванні зондів типу подвійної U (чотири труби в свердловині), становить в середньому близько 50 Вт / м. Орієнтовно можна прийняти, що в разі теплового насоса заявників в прикладі розрахунку теплообмінника горизонтального (потужністю охолодження 10,9 кВт), необхідні отвори з загальною довжиною L = 10 900/50 = 218 м, тобто, наприклад, чотири по 55 метрів.

Грунтовий тепловий насос: чим менше потужність тим дешевше установка.

Вартість інвестицій прямо пропорційна теплової потужності установки. Тому, незважаючи на те, що коефіцієнт продуктивності насоса для грунтових вод не зменшується з приходом сильного морозу, варто розглянути застосування теплового насоса в бівалентної системі.

Найпростіше обладнати її електричним проточним нагрівачем води (як правило, пропонується в якості додаткового обладнання – для установки в корпусі теплового насоса). Потім визначається точка бівалентності і для неї визначається необхідна теплова потужність насоса.

Компресор теплового насоса

Якщо насос може опалювати будинок, розташований в III кліматичній зоні і приймається, що нижче температури зовнішнього повітря -10 градусів за Цельсієм може її просунути електричний нагрівач, то його теплова потужність може бути на 25% менше від проектного теплового навантаження. На стільки ж менше буде вартість виготовлення грунтового теплообмінника.

У розглянутому прикладі замість потужності 10,9 кВт, досить 8,2 кВт. А, в зв’язку з цим, площа горизонтального теплообмінника може мати 410 м2 замість 545 м2 і глибина вертикального 164 м замість 218 метрів. Крім нижчої ціни, перевагою є, отже, також менша кількість необхідного місця.

Які труби застосовуються для грунтового геотермального теплообмінника теплового насоса?

Довжина однієї петлі (контуру) обмежена – це пов’язано з потужністю циркуляційного насоса, яким геотермальні теплові насоси, як правило, на заводі обладнані (якщо немає, то довжина труб і відповідний циркуляційний насос підбирається дизайнером системи). Допустиму довжину труби слід вважати за технічними характеристиками пристрою. Вона залежить від діаметра і від типу використовуваної робочої рідини (розсолу).

У разі теплових насосів з потужністю двигуна до десятків кіловат застосовуються від однієї до чотирьох петель по 100 – 400 м з труб діаметром від DN25 до DN65 (в залежності від матеріалу труби). Для виконання горизонтальних теплообмінників використовується найчастіше поліетиленові труби PE100 (якщо в грунті немає каменів) або PE100 RC для скелястої породи. Для вертикальних можна використовувати труби PE80. Вертикальні грунтові теплообмінники теж зроблені з труб PE-X, полібутиленові (PB) та міді в оболонці з пластика.

Поліетиленові труби PE100

Труби грунтового теплообмінника повинна заповнювати рідина, яка не замерзає при мінусовій температурі, для визначеності передбачається, що до -15 градусів Цельсія, хоча тепловий насос має захист для відключення її при -7 градусів (в такому випадку перестає охолоджувати грунт).

Оскільки атмосферне повітря буває ще холодніше, труба теплообмінника не може бути ні в одному місці схильна до його впливу – повинна бути заглибленою в землі не менше 0,5 м. Біля проходу труб через стіну будівлі теплоізоляція їх необхідна на відстані 2 м від фундаменту, щоб не відбувалося промерзання грунту, що може привести до будівельної катастрофи.

Робоча рідина в установці грунтового теплового насоса.

Раніше, в системах які проводять тепло з грунту, був використаний розчин солі NaCl, звідси і виник сьогодні термін – соляні насоси. “Солянка” давно вже не застосовуються. Найпопулярнішим є водний розчин пропіленгліколю, що вважається екологічним. Як правило, саме він рекомендується для заповнення – він може купуватися, як готова робоча рідина для такого використання. При його виборі необхідно керуватися рекомендаціями виробника теплового насоса, так як рідина може містити різні добавки інгібіторів, стабілізаторів, антиоксидантів.

Водний розчин пропіленгліколю

Пропіленгліколь має не тільки досить низьку температуру застигання, але і не викликає корозії металів, не розчиняє пластик і не викликає розмивання насосів. Проте, його щільність і в’язкість, позитивно впливають на кількість енергії, необхідної для прокачування, більше, ніж води, тому його використовують в не дуже великій концентрації (34%). Є, звичайно, багато рідин, які не замерзають при температурі -15 градусів Цельсія. Часто використовується також розчин етиленгліколю, але він вважається шкідливим для навколишнього середовища, тому що отруйний і не піддається біологічному розкладанню.

Водний розчин пропіленгліколю властивості

Хороші властивості має також етанол. Його найбільша перевага – це низька в’язкість і щільність, завдяки чому його прокачування поглинає менше енергії. Застосування його не є популярним через його займистість, інтенсивний запах, і, в першу чергу, відсутність мастильних властивостей, що загрожує пошкодженням циркуляційного насоса. Тому деякі виробники забороняють його використання.

Тепловий насос: будова та принцип роботи. Відео урок.