Значительное уменьшение энергетических расходов в зданиях различного назначения произошло после массового применения теплонасосного оборудования геотермального типа, которое способно выдерживать серьезные нагрузки. Системы с использованием подобных устройств активно интегрируются с центральными сетями. Установленные на строительных объектах системы трубопроводов зачастую изготовлены из различных материалов, которыми могут быть как сталь, так и поливинилхлорид. Ни для кого не секрет, что в первую очередь заказчиков интересуют материалы, отличающиеся превосходными характеристиками и умеренной ценой.
Погружаемые в грунт элементы теплонасосной системы обычно изготовлены из материалов, которые на рынке представлены в достаточно скудном разнообразии. Этого не скажешь о частях системы (наземных), менее подверженных воздействиям агрессивной среды. При использовании в одной теплонасосной системе различных металлов можно столкнуться с невыполнением санитарных предписаний или неосведомленностью местными правилами охраны подземных водоносных горизонтов. Если такая ситуация наступает, наземный водяной контур может эксплуатироваться с недостаточно качественной рабочей жидкостью.
В результате некачественная жидкость понижает механические параметры теплонасосной системы, создает проблематичную обстановку для обслуживающих строительный объект эксплуатационных служб и способствует ускорению износа элементов системы геотермального типа.
Данный информационный материал будет посвящен специалистам, которые разрабатывают трубопроводные системы с учетом сохранения изначальных качественных показателей рабочей жидкости.
Применение тепловых насосов и факторы, влияющие на подбор материалов
Изначально использование геотермальных тепловых насосов представлялось возможным исключительно в зданиях жилого назначения. Через некоторое время данный рыночный сегмент расширился на образовательные учреждения, где применяемые теплонасосные системы отличались простотой, эффективностью и экономичностью по причине размеров подобных строительных объектов, которые можно сопоставить с объектами жилого назначения. Принцип работы теплонасосной системы заключается в циркуляции жидкости (воды или ее смеси с охлаждающей жидкостью) между контурами, один из которых создан в грунтовых слоях, а второй – непосредственно на территории строительного объекта. При этом на выбор рабочей жидкости влияет географическое положение обслуживаемого здания.
Ввиду того, что использование геотермальных тепловых насосов постепенно набирает обороты, возникает потребность в обучении специалистов, занимающихся разработкой проектов и составлением спецификаций для теплонасосных систем. С некоторыми предписаниями можно ознакомиться в разделах ASHRAE – справочном пособии, в котором освещается подготовка воды и геотермальная энергия. Однако представленная в данном пособии информация является малообъемной для специалиста, решившего правильно подобрать материалы для тепловых носителей оборотного типа и так называемой «внешней» стороны трубопроводной системы. Отдельные ситуации вынуждают инженеров использовать правильные материалы по причине действия всевозможных государственных нормативов, относящихся к правилам использования объединенных в систему геотермальных тепловых насосов. Кроме того, причиной может послужить неопытность специалистов, работающих в определенных географических условиях.
Системы трубопроводов
Как показал двадцатилетний американский опыт использования теплонасосных систем, применяемые в них трубопроводы обычно изготавливаются из высокоплотного полиэтилена. В грунтовом контуре использование данного материала является наиболее оптимальным по причине длительного гарантийного срока эксплуатации трубопроводов (около пятидесяти лет). Помимо этого, организация грунтового контура возможна из трубопроводов, соединяющихся между собой при помощи сварных технологий. В связи с этим сейчас интернациональная организация по геотермальному теплонасосному оборудованию обязывает разработчиков во время создания проектов и установки подобных систем применять исключительно высокоплотные полиэтиленовые конструкции или сшитые полиэтиленовые конструкции для «грунтового» трубопровода. При этом монтаж таких трубопроводов возможен без применения изоляционных материалов. После подведения трубопровода к наземной части теплонасосной системы начинают работу специалисты отдела проектирования.
Геотермальный контур из высокоплотного полиэтилена
Задачей инженера конструкторского департамента является правильный выбор материалов трубопроводных конструкций для каждого контура с учетом действующих нормативных требований. Специалисту должны быть прекрасно известны преимущества и недостатки предлагаемых на рынке материалов трубопроводных конструкций, применяемых в теплонасосных системах. Традиционно в объемных системах применяются трубопроводы, изготовленные из меди, железа, стали или поливинилхлорида. В местах, где магистральные трубы имеют диаметр от десяти сантиметров оптимальным вариантом является закладка стальных конструкций. Установка подобного трубопровода может вынудить эксплуатационные службы ингибировать коррозию путем изменения состава воды. Кроме того, может потребоваться общая диэлектрическая изоляция во время подключения к теплонасосному оборудованию геотермального типа.
Очень часто разработчики сталкиваются с ситуациями, когда обновление системы с использованием тепловых насосов требует применения различных материалов трубопроводных конструкций. Также перед инженером может стоять задача частичной или полной интеграции эксплуатируемой теплонасосной системы с новоприобретенным оборудованием. При использовании в системе стальных трубопроводов можно полагать, что она уже имеет средства изменения химического состава воды. В результате закачка в систему новой жидкости приведет к ее незамедлительной обработке после стартовой циркуляционной фазы. Таким образом, нам необходимо разобраться с причиной возникновения проблем функционирования теплонасосной системы.
Водоподготовительные системы
Использование штатной рабочей жидкости (воды или раствора антифриза) в малогабаритных замкнутоконтурных системах трубопроводов, установленных в зданиях жилого назначения, дает возможность надежно защитить систему от замерзания при эксплуатации в регионах, для которых характерно постоянство отрицательных температур воздуха. В некоторых случаях система подвергается гидравлическим тестам с подачей высокого давления, после чего выполняется ее промывка с целью очистки от механических частиц и удаления оставшейся воздушной массы. После указанных процедур в систему закачивается рабочая жидкость. Такая последовательность мероприятий зачастую приводит к поддержанию надлежащего качества воды в теплонасосных системах. Кроме того, в малоразмерных зданиях жилого назначения материалом для трубопроводных конструкций обычно является медь или полиэтилен низкого давления. Для соединения тепловых насосов с трубопроводами могут использоваться изготовленные из нержавейки шланги.
Геотермальный тепловой насос с химической водоподготовкой
Если гидравлические системы являются крупногабаритными, входящие в их состав трубопроводы также могут быть изготовлены из нескольких вариантов материалов. Современный рынок позволяет выбрать варианты для подготовки жидкости в подобных системах. Используемые в фильтрационных целях химические вещества следует выбирать с учетом нескольких критериев, одним из которых являются защитные вещества для отдельных видов трубопроводов. Также нужно обратить внимание на фактор необходимости изменения качественных показателей рабочей жидкости, стоимости септических препаратов и региональных нормативных требований. Обычно очистным мероприятиям подвергаются распределительные трубопроводные конструкции. Результатом таких процедур является удаление грязи и содержащейся внутри трубопроводов воздушной массы. Делается это с целью приведения параметров качества жидкости в соответствие нормативным требованиям, соблюдение которых дает возможность увеличить производительность и срок эксплуатации установленной на объекте теплонасосной системы. На следующем этапе выполняется настройка водоподготовительной системы. Отметим, что при использовании фильтрационных средств химического происхождения нужно помнить, что их применение является не всегда уместным. В первую очередь это касается тех случаев, когда рабочая жидкость транспортируется в едином контуре теплонасосной системы, то есть она циркулирует как в грунтовых узлах, так и наземных. С одной стороны можно предположить, что в грунтовом контуре создана необходимая герметичность, однако непредвиденные обстоятельства, связанные с нарушением целостности системы, могут составить массу проблем организациям по охране подземных водоносных горизонтов.
Транспортирующая тепловую энергию жидкость
Основываясь на американской практике использования тепловых насосов, можно сказать, что в каждом отдельном штате функционируют разные контрольные органы, отвечающие за защиту грунтовых водоносных горизонтов. Например, у калифорнийского регулирующего ведомства есть возможность определения и использования правил, касающихся проведения различных работ в месте расположения земляных скважин. При этом на территории данного штата обязанности по поддержанию соответствующего качества воды возложены на руководство ведомства здравоохранения. Использование устройств теплообмена грунтового типа по части рабочей жидкости регламентируется соответствующим калифорнийским стандартом. Также вода или охлаждающая жидкость должна соответствовать нормам IGSHPA. Кроме того, в нормах указаны отдельные ситуации, которые вынуждают эксплуатационные службы применять только питьевую воду для закачки в теплонасосные системы. Причиной тому является малое расстояние между грунтовыми водами и крайней точкой размещения подземной части тепловых насосов.
Примеры теплоносителей для геотермальных тепловых насосов
Нужно сказать, что закачиваемая в узлы теплонасосной системы питьевая вода может иметь как соответствующее, так и непригодное для использования качество. Все зависит от того, в каком месте находится источник водообеспечения. Данный нюанс подтолкнул управление экологического комитета Калифорнии на стандартизацию параметров пригодной для питья воды. Аналогичная ситуация происходит и на территории многих других американских штатов. При этом питьевая вода не всегда может использоваться в теплонасосной системе. В зависимости от химического состава, вода может оказывать коррозионное воздействие на элементы трубопроводной системы, если они изготовлены из стали. По этой причине специалистам необходимо заботиться о разработке фиксируемых в пояснительной документации четких требований, касающихся заполнения трубопроводной системы. В итоге нельзя гарантировать безаварийное функционирование тепловых насосов при соблюдении не до конца проработанных рекомендаций.
Также в качестве примера можно привести законодательную базу штата Вашингтон, в котором отсутствуют рекомендации по использованию жидкостей для тепловых насосов. В основном подобные рекомендации создают государственные или муниципальные организации. В связи с этим рассмотрение каждого случая является индивидуальным процессом.
На территории Миссури разработаны специфические нормы по использованию теплоносителя. В частности, они основаны на проведенных ASHRAE исследованиях, завершенных в конце прошлого века. В ходе эксперимента был проведен подробный анализ характеристик всевозможных рабочих жидкостей с поправкой на перспективу. Помимо этого, проверялась их безопасность, энергетическая эффективность и экологичность. В результате данную информацию отобразили в стандарте IGSHPA.
Предлагаем ознакомиться с прописанными в данном стандарте требованиями. В нем указано, что разбавленная рабочая жидкость должна иметь следующие характеристики:
- девяностопроцентное биологическое расщепление;
- отсутствие коррозионного воздействия на все материалы элементов, которые представляют наземный контур теплонасосной системы;
- однородный химический состав без механических частиц, ускоряющих выход из строя узлов системы;
- вспышка при температуре более девяноста градусов по шкале Цельсия;
- соблюдение нормы пятидневной биологической потребности в кислороде, если температура превышает нормативное значение на десять градусов Цельсия;
- отсутствие токсичных выделений;
- нормативный уровень прозрачности жидкости;
- отсутствие расслоения под воздействием высоких и низких температур.
Также в документе указано, что отвечающие за эксплуатацию рабочей жидкости организации должны знать правила безопасности при работе с такими жидкостями, а также предусмотреть необходимые мероприятия для обеспечения защиты подземных водоносных горизонтов.
На территории Нью-Гемпшира департамент экологического обслуживания создал нормативный документ, регулирующий тип рабочей жидкости, которую закачивают в теплонасосные системы геотермального типа. Отметим, что с данными правилами предстоит ознакомиться общественности, которая примет окончательное решение по их утверждению.
Кроме того, очень важно знать местные правила регулирования защиты подземных водоносных горизонтов во время проектирования геотермальных теплонасосных систем, чтобы должным образом понимать нормативную базу по части строительства.
Рекомендательная информация при организации геотермальных систем с использованием тепловых насосов
В завершении статьи предлагаем ознакомиться с рекомендательной информацией, которая направлена на облегчение проектирования теплонасосных систем геотермального типа:
- До начала разработки проекта геотермальной теплонасосной системы следует обратиться к представителям контролирующего органа, чтобы ознакомиться с требованиями, предъявляемыми к устройству грунтовой части системы. Далеко не все территориальные власти разрешают проводить работы по бурению скважин. Также не во всех случаях можно использовать любую рабочую жидкость по причине возможности загрязнения подземных водоносных горизонтов и нанесения ущерба почве.
- Коррозионному воздействию подвергаются все гидравлические системы. По этой причине оптимальным материалом для создания таких систем является полиэтилен низкого давления, несмотря на то что подобное решение может оказаться непрактичным. Однако стоит учитывать, что данный материал в меньшей степени подвержен коррозионному воздействию по сравнению с другими вариантами.
- Несмотря на то что в системе может быть организован замкнутый контур циркуляции жидкости, в ней не исключено образование воздуха по причине расширения и сжатия трубопроводов, а также периодического добавления рабочей жидкости. В случае газосодержащей жидкости требуется деаэрация с целью противодействия образования коррозии. Обычно для этого предусмотрены воздушные сепараторы.
- Рекомендуется проведение анализа рабочей жидкости, если гидравлическая система заполнена водой. При несоответствующем качестве жидкости стоит пообщаться со специалистом по подготовке воды, который поможет правильно подобрать фильтрующее оборудование.
- В случае использования в качестве рабочей жидкости пропиленгликоля нужно взглянуть на долевое присутствие данного компонента. Если доля его содержания составляет ниже двадцати процентов, это может привести к повышению содержания бактерий в контуре.
- Перед тем как добавлять в гидравлические системы не предназначенные для пищевых целей химические компоненты, необходимо ознакомиться с актуальной нормативной базой и принципами сертификации таких компонентов.
Для повышения работоспособности всевозможного оборудования, которое используется в геотермальных теплонасосных системах, рекомендуется использование в качестве материалов их изготовления бронзы или нержавеющей стали. Нужно обратить внимание, что рекомендация применима к оборудованию, которое находится под воздействием агрессивной среды (в первую очередь это касается воды).
На основе материалов из журнала "САНТЕХНИКА"
