Нижний источник в отоплении с тепловым насосом

1. Тепловой насос Отопительная установка с тепловым насосом состоит из трех основных частей ( рис. 1...
2. Грунтовая вода - две скважины
3. Горизонтальный плоский коллектор
4. Спиральный коллектор
5. Вертикальный коллектор
6. Коллектор с прямым испарением
7. Воздух как нижний источник
8. Слово в конце

Тепловой насос

Отопительная установка с тепловым насосом состоит из трех основных частей ( рис. 1 ):

• нижний источник;
• подстанция, важнейшим элементом которой является тепловой насос;
• верхний источник.

Верхний источник обогревает комнаты - это пол с подогревом, радиаторы или оба. Поставки тепловой энергии в верхний источник тепловой насос Это энергия, поглощаемая тепловым насосом из воздуха, воды или почвы с помощью установки, называемой нижним источником . Эксперты говорят, что не тепловой насос, а нижний источник определяет качество всей системы отопления. Многое в этом вопросе - тепловой насос - это компрессор, физический принцип работы которого всегда один и тот же. Его возможности и ограничения проистекают главным образом из законов физики, не зависящих от усилий дизайнера и производителя.

Каждый тепловой насос всегда будет выполнять свою работу - он будет «перекачивать» тепло от нижнего источника к верхнему, если только нижний источник достаточно эффективен. Если нижний источник плохо выбран, плохо спроектирован или изготовлен плохо, даже самый лучший тепловой насос не поможет.

Есть из чего выбирать

Мы уже знаем, что эффективность нагрева теплового насоса, определяемая коэффициентом COP , тем выше, чем меньше разница температур T между верхним источником (T2) и нижним источником ( T1 ), т.е.
Это интуитивно очевидное соотношение, поскольку перекачивание тепла «в гору», то есть от более холодного к более теплому веществу, требует больше работы, чем выше «холм», тем выше разница температур ΔT . В случае теплого пола (это рекомендуемое решение) температура T2 составляет около 30 ° C (около 300 K).

Самый тёплый нижний источник может существовать искусственный источник тепла, такой как сточные воды, возвратная вода в системах централизованного теплоснабжения, другие жидкости, газы или воздух, нагретые в некотором технологическом процессе. Возможности таких решений существуют в промышленности или муниципальном строительстве, но очень редко встречаются в домах для одной семьи.

У нас все еще есть естественные (возобновляемые) источники, перечисленные на рис. 2 и схематически показанные на рис. 3 . Самая высокая температура - это грунтовые воды, около 10 ° C, независимо от глубины и времени года. Поэтому решение с грунтовыми водами в качестве нижнего источника очень выгодно с точки зрения эффективности (КПД достигает 5 ÷ 6), не слишком дорогих инвестиций, но требует проверки параметров воды, загрязнение которых может вызвать коррозию теплообменника или образование отложений.

Наземный коллектор представляет собой несколько сотен метров трубы, заполненной гликолем, залитым в землю. Он может быть горизонтальным (плоским или спиральным) заглубленным на глубину примерно 1,5 м ниже поверхности земли или вертикально в скважинах глубиной до 200 м.

Гликоль, циркулирующий в наземном коллекторе, обычно имеет температуру от -2 до + 5 ° С, в первом приближении он принимается равным 0 ° С. Эффективность систем с заполненным гликолем грунтовым коллектором несколько хуже, чем для грунтовых вод (КС = 4 ÷ 5). Инвестиционные затраты выше, сложно задействовать большую площадь участка (для горизонтального коллектора), но это решение с высокой степенью надежности, потому что закрытая система нечувствительна к загрязнению или возможным изменениям в гидрогеологических условиях.

Самым дешевым, поскольку он не требует каких-либо инвестиционных работ, является использование воздуха в качестве нижнего источника . Самым большим недостатком этого решения являются сезонные и погодные изменения температуры воздуха, наихудшие условия - зимой, когда тепловой насос интенсивно эксплуатируется, и его эффективность снижается при падении температуры воздуха (для T ниже -10 ° C КПД составляет всего 2 ÷ 3). В качестве нижнего источника можно также использовать воздух внутри дома (5 ÷ 20 ° C), но это относится только к ограниченным применениям тепловых насосов для производства горячей воды или для кондиционирования воздуха (в качестве рекуператора).

Грунтовая вода - две скважины

Это самое простое решение. Почва и, следовательно, также подземные воды, на глубине более 6 м имеют практически постоянную температуру, которая в Польше составляет около 10 ° C, независимо от того, зима это или лето (можно ожидать изменений в диапазоне 7 ÷ 12 ° C ). Самый дешевый инвестиционный метод извлечения тепла из земли - это откачка воды с глубины ниже 6 м (конечно, зеркало подземных вод может находиться на более высоком уровне, например, на 1 или 2 м ниже поверхности земли).

Мы строим две скважины - водозабор, который поглощает слив (охлаждение) воды, вытекающей из теплового насоса. В типичных геологических условиях, когда вода извлекается из водоносного горизонта на глубине 6 ÷ 15 м, стоимость строительства этих двух скважин составляет около 2000 злотых. Расстояние между колодцем и поглощающей скважиной должно быть как можно большим (не менее 15 м), чтобы отводимая холодная вода не смешивалась с водой ручной работы, что отрицательно сказывалось на ее температуре.

Обе скважины должны использовать один и тот же водоносный горизонт, а скважина должна находиться перед потоком воды в этом слое. Дело в том, что охлажденная вода не возвращается в колодец.

Производительность откачки

грунтовых вод должна составлять приблизительно 1,5 м³ / ч (подробные расчеты приведены в следующем кадре), что достаточно для самовсасывающего насоса мощностью 200 Вт (если уровень воды не ниже 6 м). Не всегда условия почвы и воды благоприятны для этого решения.

Основным противопоказанием может быть глубокий уровень грунтовых вод, что вынуждает нас использовать более дорогие решения - глубокие насосы и глубокое бурение. Примечание - разрешение на воду требуется для скважин глубже 30 метров. Существует также второе условие (не всегда соблюдаемое): вам необходимо иметь разрешение на воду для забора воды, превышающее 15 м3 / день, независимо от глубины скважины.

Это условие обычно выполняется «для контакта», поскольку при перекачке со скоростью 1,5 м3 / ч подразумевается максимум 10 часов водяного насоса в день.

Эти предельные параметры могут быть применены к тепловому насосу мощностью 7 ÷ 8 кВт. Для теплового насоса с более высокой мощностью производительность насоса должна превышать 1,5 м3 / ч, поэтому будет превышено требование забора воды, превышающее 15 м3 / сутки, и необходимо запросить разрешение.

Часто высказываются опасения по поводу короткого срока службы скважины - как дноуглубительных, которые могут со временем уменьшаться, так и пропускной способности, которая может быть недостаточной через некоторое время. Однако не следует ожидать какой-либо возможной деградации пробуренной скважины раньше, чем через 15-20 лет.

Если это произойдет, то бурение новых скважин не будет огромной финансовой или технической проблемой, поэтому мы не должны слишком беспокоиться об этом ограничении. Другой проблемой системы вода-вода может быть плохое качество воды - высокое содержание железа и марганца, а также очень высокая жесткость (таблица).

Производитель теплового насоса несет ответственность за оценку того, могут ли плохие параметры качества воды значительно повлиять на разрушение или плохую работу теплового насоса. Угрожает и, к сожалению, нередко в наших условиях вызывает чрезмерное ощущение железа. Железо не вредно, пока оно не окислено. Залежь оксида железа может «забить» как теплообменник, так и впитывающую жидкость. Следовательно, в случае сильно выглаженной воды чрезвычайно важно, чтобы вся система, от водозабора в колодце до разгрузки в абсорбирующей скважине, была герметичной и не "подхватывала" воздух.

Некоторые производители дополнительно предлагают испарители в специальной версии, устойчивой к коррозийному воздействию воды с «плохими» параметрами. Также используется дополнительный теплообменник, устойчивый к «плохой» воде. Во вторичном контуре такого теплообменника, проходящем между колодезной водой и испарителем теплового насоса, вода циркулирует с содержанием этилена 10%.

Горизонтальный плоский коллектор

Плоский горизонтальный коллектор изготовлен из полиэтиленовых труб диаметром 1 дюйм, уложенных в траншею глубиной около 1,5 м, которая находится ниже зоны замерзания, но не глубже 2 м. Обычно это несколько петель, то есть длина труб с длиной ок. 100 м ( рисунок 4 ). Разделение примерной трубки коллектора 500 м на пять параллельных петель длиной 100 м направлено на уменьшение сопротивления потока, так что циркуляционный насос, нагнетающий поток гликоля, не должен достигать высокой мощности, тем самым снижая эффективность системы отопления. В промежутках между 0,5 ÷ 0,8 м труб из одного м² грунта с коллектором получается мощность 10 ÷ 40 Вт в зависимости от типа почвы. Глина и влажная земля дают больше тепла (30 ÷ 40 Вт), чем песчаные, сухие (10 ÷ 20 Вт).

Следовательно, предполагая, что для отопления дома требуется около 50 Вт на квадратный метр площади пола, плоский коллектор должен занимать площадь в 1,5–5 раз большую, чем поверхность дома. Поэтому для этого решения необходима большая площадь участка (например, около 600 м² для дома с отапливаемой площадью около 150 м², если земля сухая и песчаная). Трубы коллектора заполнены водным раствором гликоля . Ранее использовался раствор соленой воды (рассол).

Обычно используется название рассол , хотя это может относиться к гликолю. В нагревателях теплового насоса гликоль выделяет тепло при охлаждении около 4 К. Средняя температура гликоля в коллекторе составляет около 0 ° C, хотя после солнечного лета она может достигать даже + 10 °, а в суровую зиму она может остыть до нескольких градусов ниже нуля. , Следует помнить, что тепло, получаемое гликолем от земли, происходит главным образом от солнечных лучей - перенос тепла из более глубоких слоев почвы на поверхность является незначительным явлением.

Вот почему очень важно иметь возможность полностью прогревать землю летом, до следующего отопительного сезона. Поэтому нет смысла закапывать коллектор на глубине более 1,8 м, где солнечное тепло не достигает хорошего уровня. Также запрещено препятствовать проникновению солнечной энергии, например, встраивая бетон на поверхность земли над коллектором. Стоит отметить, что солнечная энергия проникает в землю преимущественно дождевой водой.

Отсутствие полной термической регенерации почвы в течение лета является риском понижения температуры гликоля зимой ниже предельного значения для данного насоса, что приведет к его остановке. Следовательно, лучше увеличить горизонтальный коллектор , т.е. придать ему определенную мощность. Мощность плоского коллектора (как и любого более низкого источника) - это мощность теплового насоса, уменьшенная на мощность компрессора, то есть: Pkol = Ppc (1 - 1 / COP). Например, для теплового насоса с 8 кВт и COP = 4 мы получаем Pkol = 6 кВт, который в случае земли с умеренными тепловыми свойствами (22 Вт / м²) это означает, что участок площадью около 300 м² должен быть занят.

Спиральный коллектор

Часто утверждается, что если площадь участка не позволяет установить плоский коллектор, то для установки спирального коллектора можно использовать поверхность гораздо меньшего размера, то есть расположить трубы по спирали шириной не менее 80 см ( рис. 5 ).

Однако это является запутанным утверждением - фактически, для спирального коллектора требуется немного меньшая площадь участка, чем для плоского коллектора, поскольку расстояния между канавами должны быть не менее 3 м. Преимущество спирального коллектора заключается в том, что копать несколько канав шириной до 1 м и до 20 м легче, чем фотографировать почти двухметровый слой почвы с большой площади участка.

Здесь стоит напомнить, что источником тепла является почва, а не труба, поэтому независимо от того, как она уложена (рядами или спиралями), для извлечения определенного количества тепла из земли требуется определенная поверхность «рабочей» почвы. На практике рабочая поверхность спирального коллектора примерно на 1/3 меньше плоского коллектора с такой же мощностью, а площадь земляных работ более чем в пять раз меньше.

Вертикальный коллектор

Наиболее эффективным решением в случае ограниченного пространства является вертикальный коллектор. Для глубоких скважин 30 ÷ 150 м ( примечание - требуется разрешение) вставляются вертикальные зонды, то есть U-образные изгибы, в которых циркулирует гликоль.

Из 1 м ствола можно получить 30 ÷ 70 Вт тепловой энергии. Например, для дома площадью 200 м² необходимая тепловая мощность нижнего источника (около 0,8 мощности теплового насоса или 0,8 x 200 м² x 50 Вт / м² = 8 кВт) будет получена общей длиной около 160 м, т.е. это может быть 4 скважины глубиной 40 м каждая. Расстояние между скважинами должно быть не менее 5 м.

Вертикальный коллектор по сравнению с плоским коллектором имеет те же преимущества:

• занимает небольшую площадь участка
• Гликоль имеет стабильную температуру в течение всего года (3 ÷ 7 ° С).

Недостаток только один - высокая цена. В то время как горизонтальный коллектор для дома площадью 150 м² стоит около 5000 злотых, вертикальный коллектор может стоить около 10 000 злотых, и есть предложения на уровне выше 15 000 злотых.

Количество и длина зондов глубины зависят от геологических условий, поэтому часто во время бурения скважин вносятся поправки в первоначальный проект. На основании информации о фактических геологических условиях, полученных во время бурения, можно проверить длину зондов.

Коллектор с прямым испарением

Давайте посмотрим на схему системы отопления и представим, что правая половина термодинамического цикла теплового насоса от расширительного клапана до компрессора - расширяется на несколько сотен метров горизонтального коллектора. Это означает, что мы отказались от теплообменника между гликолевым контуром в горизонтальном коллекторе и контуром теплового насоса.

В этом расширенном термодинамическом цикле циркулирует особый фактор (например, пропан R 290 или R 407C), который испаряется в коллекторе, отбирая тепло у земли. Коллекторные трубы изготовлены из меди, покрытой полиэтиленовым слоем. Исключение теплообменника и циркуляционного насоса (форсирование циркуляции жидкостей в традиционных коллекторах с гликолем) позволяет повысить КПД КПД примерно на 20%. Принцип укладки коллекторной резьбы в землю идентичен принципам для плоского коллектора с гликолем ( рис. 6, 7 ). Рабочий фактор не теряет своих свойств в зависимости от времени, поэтому его не нужно заменять на протяжении всего срока службы.

Воздух как нижний источник

Воздух - это бесплатный источник инвестиций. Он просто всасывается снаружи или внутри здания, и после отвода тепла от него в испарителе он охлаждается через канал для отходов. Тепло, собранное из воздуха, может передаваться воде, циркулирующей в контуре отопления напольного устройства, или воздуху, выдуваемому фанкойлами. В нашем климате использование воздуха в качестве источника тепла для отопления дома неэффективно. Зимой эффективность такой системы при отрицательных температурах наружного воздуха падает до значения 2-3, в то же время мощность обогрева также уменьшается, и помещения могут не отапливаться.

Вот почему так называемые В двухвалентной системе , то есть ниже определенного предела внешней температуры (например, -8 ° C), включается второе нагревательное устройство - нагревательный элемент или бойлер. С этой точки работы оба нагревательных устройства работают параллельно. Если температура наружного воздуха снижается еще на несколько градусов по Цельсию, тепловой насос отключается и вся отопительная нагрузка переходит во второе отопительное устройство (котел).

Воздух как источник тепла идеален для других применений - для выработки горячей воды, для нагрева воды в бассейне, для восстановления сил, то есть для регенерации тепла из воздуха, удаляемого из здания. Мы подробно обсудили различные аспекты этих приложений в предыдущей статье этого образовательного цикла ().

Слово в конце

Это не свет. Инвестору есть над чем подумать и рассчитать, чтобы сделать правильный выбор источника энергии для отопления своего дома. Нет только решений. Самым дешевым является получение тепла из воздуха. Это самая дешевая и самая легкая инвестиция, потому что тепловой насос может быть размещен вне здания (это стоит учитывать, потому что «продувание» воздуха должно создавать некоторый шум).

Однако эффективность этого решения наименьшая. Наибольшая эффективность при низких инвестиционных затратах достигается в системе из двух скважин, но это связано с определенной степенью риска - а что, если скважина «высохнет» или закружится голова, или параметры воды изменятся.

В системах с замкнутым гликолевым контуром такой проблемы нет, то есть в плоских или вертикальных коллекторах. Но это решение стоит дорого, оно имеет несколько меньшую эффективность, чем устройство двух скважин, или требует участия большого участка земли. Ну, выбор за вами.

У нас есть некоторые знания о том, как другие выбирают. Мы провели опрос среди членов Клуба домостроения. Один из тридцати уже использовал тепловой насос в своем доме. Каждый третий серьезно думает об этом. Те, кто уже решил или близки к решению, также ответили на вопрос о выборе типа нижнего источника. Результаты показаны на диаграмме ( рисунок 8 ).

Похожие