Главной отличительной характеристикой теплового насоса является использование возобновляемых энергетических источников, которые являются абсолютно бесплатными. В качестве такого источника может выступать низкопотенциальная тепловая энергия почвы, воздушной массы или воды. Наглядным тому примером служит сброшенная вода, отработанный воздух и пар производственных или других организаций. Для получения данных теплоносителей может расходоваться электричество или определенный вид топлива, но в итоге объем вырабатываемого теплонасосным оборудованием тепла минимум в три раза превышает объем затраченного электричества.
В повседневной жизни мы обычно сталкиваемся с источниками низкопотенциальной тепловой энергии, которая может использоваться в отопительной системе. К таким источникам относятся:
- Уличная воздушная масса, температура которой составляет в диапазоне -3...+15 градусов Цельсия с положительным знаком.
- Вентиляционный воздушный поток, температура которого равна в пределах 15-25 градусов Цельсия.
- Подземные воды, температура которых составляет от 4 до 10 градусов Цельсия.
- Вода естественных и искусственных водоемов, температура которой равна в пределах 5-10 градусов Цельсия.
- Поверхностный непромерзаемый грунт, температура которого составляет в диапазоне 3-9 градусов Цельсия.
- Средний слой грунта, расположенный на глубине свыше шести метров и имеющий температуру 8 градусов Цельсия.
Установленный испаритель предназначен для прокачки эксплуатационного материала, в роли которого выступает хладагент. Обязательным условием является поддержание низкого давления в испарителе. При этом он должен находиться в такой среде, температура которой превышает температуру кипения расходной жидкости. Таким образом, хладагент может иметь отрицательную температуру кипения. В результате температурной разницы тепловая энергия окружающего пространства передается хладагенту, что приводит к его трансформации в парообразное состояние. В качестве источника тепловой энергии может выступать любой вышеуказанный низкопотенциальный ресурс.
Возобновляемые энергетические источники в деталях
При использовании в роли источника тепловой энергии уличного или вентиляционного воздушного потока целесообразно установить тепловой насос, схематически отображающий процесс взаимодействия воздуха и воды. Местонахождением оборудования может быть как наружная, так и внутренняя часть помещения. Также возможно применение интегрированного или переносного конденсатора. Для транспортировки воздушной массы к устройству теплового обмена принято использовать вентилятор.
Низкопотенциальное тепло можно брать из подземных водоносных горизонтов, имеющих сравнительно низкую температуру, или же из поверхностного грунта. Причем в грунтовом слое находится гораздо больше тепловой энергии. Грунтовое тепло в основном накапливается благодаря двум факторам воздействия. Первым из них является солнечная радиация, а вторым – поток радиогенной тепловой энергии из низших земельных слоев. Солнечная радиация имеет меняющуюся интенсивность в зависимости от времени года и суток. Вместе с температурой уличной воздушной массы она заставляет температуру поверхностного грунта колебаться в определенном диапазоне. Суточные колебания температуры уличной воздушной массы и падающая солнечная радиация проникают на глубину, диапазон которой составляет 10-150 сантиметров. Вместе с тем на глубину проникновения влияют конкретные почвенно-климатические условия. Сезонные колебания уличной воздушной массы вместе с солнечной радиацией зачастую опускаются на глубину около пятнадцати-двадцати метров.
Теплообменники горизонтального типа могут быть:
- Выполнены из трубопроводов, имеющих параллельное и последовательное соединение.
- Изготовлены в виде горизонтального коллектора, уложенного в земляной канал.
- Исполнены петлеобразно.
- Сделаны как спираль, имеющая горизонтальное расположение. Такие конструкции имеют название slinky-коллектор.
- Созданы в спиралевидной форме, имеющей вертикальное расположение.
Вода является прекрасным аккумулятором солнечной тепловой энергии. Даже в холодное зимнее время температура подземных водоносных горизонтов является постоянной и составляет в пределах семи-двенадцати градусов Цельсия. По этой причине данный тепловой источник является высокоприоритетным. Из-за температурной устойчивости вода отличается высоким коэффициентом трансформации посредством теплового насоса на протяжении всех сезонов. Однако достаточный объем подземных вод является нечастым явлением. Если энергетическим источником является подземный водоносный горизонт, транспортировку жидкости выполняет погружное насосное оборудование, в результате чего она оказывается в заборной части испарителя теплового насоса, который схематически функционирует по принципу "вода-вода-открытая система". Для вывода отработанной жидкости предусматривается вторая скважина. Также возможно ее поступление в водоем. Открытые системы хороши тем, что с их помощью можно получить значительный объем тепла с учетом умеренных затрат. При этом в проекте теплового насоса нужно учитывать потребность в обслуживании скважин. Также открытые системы чувствительны к географическому расположению пользователя.
Грунт, в который будет монтироваться внешний контур теплового насоса, должен иметь хорошую водопроницаемость. Такое свойство способствует быстрому восполнению водных резервов. Что касается грунтовой воды, она должна отличаться качественным химическим составом (к примеру, содержать минимум железа). Это дает возможность предотвратить ситуации, когда стенки трубопроводов покрываются отложениями и их атакует коррозия.
Применение открытых систем зачастую ориентировано на отопительные системы и системы кондиционирования воздуха, устанавливаемые на больших строительных объектах. Самую масштабную на планете геотермальную теплонасосную систему разработали благодаря использованию грунтовых вод в качестве низкопотенциального энергетического ресурса. Местом нахождения данной системы является город Луисвилль (Соединенные Штаты). Данная система позволяет обеспечить тепловой энергией и охлажденным воздухом бизнес-центр. Она имеет суммарную производительность около десяти мегаватт.
В качестве другого источника могут использоваться ресурсы водоема, донная часть которого обустроена петлями пластикового трубопровода. Схематика данного решения – "вода-вода-закрытая система". Внутри трубопровода находится незамерзающая жидкость, которая посредством испарителя теплового насоса отдает тепловую энергию хладагенту. В качестве охлаждающей жидкости принято использовать раствор этиленгликоля.
Грунт имеет способность превращать солнечное тепло в тепловую энергию на протяжении долгого временного отрезка. Тем самым, тепловой источник характеризуется относительно равномерной температурой на протяжении всего года и, соответственно, высоким коэффициентом трансформации теплового насоса. Верхние почвенные слои меняют свою температура с поправкой на сезонный фактор. Углубленные относительно точки промерзания слои характеризуются слабым температурным колебанием. Содержащаяся в грунте тепловая энергия потребляется проложенными герметичными устройствами теплового обмена, которые имеют название земельные коллекторы. Кроме того, она может извлекаться вертикально проложенными теплообменниками, получившими название геотермальные зонды. Для транспортировки тепловой энергии окружающего пространства предназначен раствор этиленгликоля (низкой или средней концентрации), имеющий критическую температуру замерзания на уровне около тринадцати градусов Цельсия с отрицательным знаком. За счет этого раствор всегда находится в жидком состоянии.
Низкопотенциальная грунтовая тепловая энергия может быть получена двумя вариантами. В первом случае в предварительно подготовленные земляные каналы, глубина которых составляет 1,3-1,7 метра, в горизонтальном положении укладываются пластиковые трубопроводы. Второй случай предусматривает организацию вертикальных скважин, глубина которых составляет в диапазоне двадцати-ста метров. Возможна и спиралевидная укладка трубопроводов в каналы, однако укладочная глубина должна составлять в пределах двух-четырех метров, что приводит к существенному уменьшению суммарной длины земляных каналов. Верхние грунтовые слои имеют максимальную теплоотдачу в пределах 7-25 ватт на погонный метр, в то время как геотермальные источники – 20-50 ватт на погонный метр. Исходя из сведений компаний-разработчиков тепловых насосов, скважины и каналы могут прослужить свыше века.
Вертикальные грунтовые теплообменники в подробностях
Начиная с середины восьмидесятых годов прошлого века швейцарский Цюрих является местом проведения экспериментов над теплонасосной системой, имеющей вертикально расположенные грунтовые теплообменники. Изначально в грунтовый слой вертикально погрузили коаксиальное теплообменное устройство. Оно было расположено на глубине более ста метров. Данное устройство представляло собой источник низкопотенциального тепла, являющийся частью теплонасосной системы, организованной в одноэтажном здании жилого назначения. Максимальная производительность вертикального грунтового теплообменника составляла около семидесяти ватт на погонный метр. Из-за этого окружающая земельная территория находилась в условиях внушительной тепловой нагрузки. В данное время установленная система производит тепло порядка тринадцати мегаватт в час.
Рядом с главной скважиной появились две вспомогательные; расстояние между ними составляет полтора метра. При этом основная скважина находится посередине. Дополнительные скважины оснастили температурными датчиками, которые снимают показания на десяти глубинных отметках с шагом от одного до двадцати метров. Максимальная глубина размещения датчика составляет 105 метров. Внутреннюю часть скважин заполнили раствором глины и цемента. Грунтовая температура фиксировалась с периодичностью тридцать минут. Также со временем появилась необходимость в измерении скорости перемещения теплоносителя, объема потребления энергии компрессорным приводом, температуры воздушной массы и других параметров.
Длительность первого мониторингового срока составила пять лет. В результате проведенных измерений оказалось, что тепло уличной воздушной массы и солнечной радиации проникает в грунтовый слой на глубину около пятнадцати метров. Тепловые изменения в нижних слоях почвы обусловлены воздействием тепловой энергии земной коры. На протяжении первых двух-трех лет исследований произошло резкое снижение температуры грунта с погруженным вертикальным теплообменником. В последующие годы наблюдалась постепенная стабилизация температуры. В итоге окружающий устройство теплового обмена грунтовый слой имел температуру на один-два градуса Цельсия ниже изначальной.
Во второй половине девяностых годов (после того, как прошло десять лет с момента запуска системы) исследователи решили возобновить измерения. Как выяснилось, грунтовый слой имел относительно стабильный температурный фон. Прошло еще несколько лет, но температура грунта все так же держалась на уровне с отклонением в полградуса Цельсия. Вместе с тем на минимальные ее изменения влияла отопительная нагрузка. Тем самым, ученые отметили соответствующую условиям работу системы на протяжении двух-трех лет.
Данные исследований стали основой для разработки математических моделей процессов, протекающих в слое грунта. Это и послужило опорой для долгосрочного прогнозирования температурных изменений в грунтовом слое.
После завершения математического моделирования исследователи выяснили, что температуру ждет постепенное ежегодное уменьшение, протекающее параллельно с увеличением объема окружающего устройство теплового обмена грунтового слоя. Завершение эксплуатационного срока сопровождается регенерационным процессом – повышением температуры грунта. Регенерационный процесс протекает подобно процессу "впитывания" тепловой энергии. Так, на протяжении первых лет работы системы грунтовая температура резко увеличивается, однако с истечением времени наблюдается уменьшение скорости температурного роста. Длительность регенерационного срока зависит от эксплуатационного периода. Специалисты наблюдали относительное равенство этих двух сроков. Рассматриваемая ситуация показала, что эксплуатационный период устройства грунтового теплового обмена составил тридцать лет и оказался равен регенерационному периоду. Разница составила лишь несколько дней.
Руководствуясь вышеописанным можно сделать вывод, что системы кондиционирования и отопления на базе теплового насоса, использующего в качестве источника низкопотенциального тепла тепловую энергию земли, способны демонстрировать образцовую эффективность и могут использоваться на регулярной основе. Также нужно сказать, что и само тепло грунтового слоя является продолжительным энергетическим ресурсом, который восполняется после завершения эксплуатационного срока.
Расчет горизонтально размещенного коллектора теплового насоса
На качество получения тепловым насосом низкопотенциальной тепловой энергии влияют такие факторы, как присутствие подземных водоносных горизонтов, глубина укладки, качество грунтового слоя и прочие. По предположениям, на один погонный метр горизонтального коллектора приходится порядка двадцати ватт полученной тепловой энергии. Если прибегнуть к точностям, энергетическая отдача сухого песка составляет десять ватт, глины – двадцать ватт, влажной глины – более двадцати ватт, чрезмерно водянистой глины – свыше тридцати ватт. Температурная разница между теплоносителем в прямой и обратной петлевых линиях составляет три градуса Цельсия. Земельная территория, на которой расположен коллектор, должна быть открытой для энергетической подпитки от воздействия солнечных лучей.
Минимальный интервал между уложенными трубопроводами должен составлять в пределах 0,7-0,8 метра. При этом один земельный канал должен иметь длину порядка 30-150 метров. Кроме того, следует учитывать примерное равенство длин соединяемых элементов контура. Рекомендованной жидкостью для заполнения внешнего контура является смесь воды и этиленгликоля в средней концентрации, способная замерзнуть только при температуре минус тринадцать градусов Цельсия. При проведении расчетных операций необходимо учитывать, что тепловая емкость смеси (с учетом нулевой температуры) равна 3,7 килоджоуля на отношение "килограмм-Кельвин", в то время как плотность составляет 1,05 грамма на кубический сантиметр. Применение смеси средней концентрации является причиной потери давления в трубопроводах на пятьдесят процентов в сравнении с водной циркуляцией. Чтобы рассчитать параметры внешнего контура теплового насоса, необходимо выяснить уровень расхода смеси:
Vs = Qo* 3600 / (1,05 * 3,7 * t).
В данной формуле: Qo является тепловой производительностью внешнего контура, извлекающего низкопотенциальную грунтовую энергию; tявляется разностью температур между входной и обратной линиями. Зачастую температурная разница условно составляет три градуса Кельвина. При этом тепловую производительность рассчитывают как разницу абсолютной отдачи теплонасосного оборудования Qwp и производительности электрической сети P, от которой нагревается хладагент:
Qo = Qwp – P.
Тепловая производительность наружного контура измеряется в киловаттах.
Для расчета общей длины коллекторных трубопроводов Lи суммарной площади земельной территории A, на которой размещается коллектор, используются формулы:
L = Qo / q,
A = L * da
Исходя из данной формулы: qявляется удельным теплосъемом с одного метра трубопровода, а da– интервалом между трубопроводами, который также называется шагом укладки.
Расчет мощности теплового насоса на примере
Сначала ознакомимся с условиями. Имеется коттеджное здание, площадь которого может составлять от 120 до 240 квадратных метров. Потребность объекта в тепловой энергии составляет тринадцать киловатт (на основании подсчета потерь тепла с поправкой на инфильтрационный уровень). Температура воды в отопительной системе составляет 35 градусов Цельсия (обогрев выполняется под полом). Значение минимальной температуры теплоносителя на входе в теплообменник составляет нуль градусов Цельсия. Строительный объект обогревает теплонасосное оборудование, производительность которого составляет 14,5 киловатта. Если учитывать потери на густоту рабочей смеси, а также отбор и транспортировку тепла из грунтового слоя, отдача составляет 3,22 киловатта. Размер съема тепла с грунтового слоя (сухой глины) равен двадцати ваттам на погонный метр.
Методика расчета:
Рассчитываем необходимую тепловую производительность коллектора:
Qo = 14,5 – 3,22 = 11,28 киловатта.
Суммарная длина трубопроводов составляет:
L = 11,28 / 0,02 = 564 погонных метров. Чтобы организовать коллектор, необходимо проложить шесть элементов контура. Длина каждого элемента равна ста метрам.
Учитывая интервал укладки трубопроводов 0,75 метра, рассчитаем необходимую площадь земельной территории:
A = 600 * 0,75 = 450 квадратных метров.
Также рассчитаем потребность в этиленгликолевой смеси:
Vs = 11,28 * 3600 / (1,05 * 3,7 * 3) = 3,51 кубических метра. Таким образом, для заполнения одного контура нам необходимо иметь 0,58 кубических метра смеси.
Коллектор состоит из пластикового трубопровода 32х3. Уровень потерь давления в нем равен 45 паскаль на погонный метр при сопротивлении каждого контура около семи килопаскаль и скорости транспортировки смеси 0,3 метра в секунду.
Расчет зонда
Вертикальные скважины предназначены для погружения в них U-образных пластиковых трубопроводов на глубину двадцать-сто метров. Диаметр таких трубопроводов составляет 3,2 сантиметра. Обычно скважина также является местом размещения двух петель. После их установки в нее заливается суспензия. Размер удельного теплосъема зонда в среднем равен пятидесяти ваттам на погонный метр. Для сухих осадочных пород данный показатель составляет двадцать ватт на погонный метр; для каменистого грунта и водянистых осадочных пород – пятьдесят ватт; для каменных пород, имеющих высокую теплопроводность, - семьдесят ватт; для подземных водных горизонтов – восемьдесят ватт.
Если измерить температуру грунтового слоя на глубине свыше пятнадцати метров, здесь она неизменна и равна девяти градусам Цельсия. Необходимо придерживаться пятиметрового расстояния между скважинами. Если наблюдаются подземные течения, расположение скважин должно быть на линии, которая перпендикулярна потоку.
Диаметр трубопроводов подбирается на основании потерь давления с ориентиром на расход теплоносителя. Расчет смеси выполняется с учетом температуры на уровне пяти градусов Цельсия.
Расчет зонда на примере
Условную информацию позаимствуем из предыдущего примера расчета горизонтально расположенного коллектора. Имея удельный теплосъем зонда пятьдесят ватт на метр и номинальную производительность 11,28 киловатта, получим длину зонда 225 метров.
Для установки коллектора требуется бурение трех скважин. Глубина каждой из них составляет 75 метров. При этом каждая скважина оборудована двумя петлями трубопровода 32х3. Длина одного контура (всего их шесть) составляет 150 метров.
Часовая степень расхода теплоносителя при температуре пять градусов Цельсия составляет 2,1 метра кубических. Часовой расход одного контура составляет 0,35 метра кубических. При этом уровень потерь давления в трубопроводе составляет 96 паскаль на метр в случае использования в качестве теплоносителя 25-процентной смеси этиленгликоля. Уровень сопротивления контура равен 14,4 килопаскаля при скорости потока 0,3 метра в секунду.
Подбор теплового насоса
По причине изменчивости температуры рабочей жидкости (в диапазоне от минус пяти до плюс двадцати градусов Цельсия) в наружном контуре теплового насоса требуется установка гидравлической расширительной емкости.
Помимо этого, конденсаторная часть устройства должна быть оборудована накопительной емкостью из-за переменного функционирования компрессора теплонасосного агрегата. Элементы компрессора могут стать непригодными для эксплуатации очень частых пусков. Полезность емкости распространяется и на ситуации с отключением электричества. Емкость должна иметь объем около двадцати-тридцати литров на один киловатт производительности теплонасосного устройства.
Если использовать второй энергетический источник (газовое, твердотопливное, жидкостное или электрическое котельное оборудование), его подключение осуществляется посредством аккумуляторной емкости, которая, помимо всего прочего, выполняет роль термического и гидравлического распределителя. Таким образом, управление котельным оборудованием осуществляется через тепловой насос или верхний уровень автоматической системы.
На случай перебоев с трансфером электричества возможно увеличение производительности теплонасосного оборудования с учетом коэффициента, рассчитываемого по формуле:
f = 24 / (24 – tоткл).
Исходя из формулы: tоткл является длительностью отсутствия электроснабжения.
Если электричество отсутствует в течение четырех часов, коэффициент составит 1,2. Для подбора производительности теплонасосного оборудования можно использовать как одновалентный, так и двухвалентный режим его функционирования. Первый вариант означает использование теплового насоса в качестве единственного генератора тепла.
Необходимо учитывать, что даже на территории Российской Федерации периоды снижения температуры воздушной массы являются непродолжительными. В связи с этим рациональным будет установка теплонасосного оборудования, функционирующего в двухвалентном режиме. Так, дополнительный энергетический источник необходимо задействовать только при достижении термометром отметки ниже пяти градусов Цельсия с отрицательным знаком для южных регионов и десяти градусов Цельсия для центральных регионов. Такая реализация приводит к уменьшению стоимости теплонасосного устройства, в том числе операций по установке наружного контура (бурения скважин, организации земляных каналов и прочих). Отметим, что с возрастанием производительности насоса растет стоимость его установки.
