Теплові насоси з підземним джерелом тепла – особливості застосування

Теплові насоси (далі – ТН) набувають все більшого поширення завдяки очевидній екомічності та енергоефективності. Широкий асортимент дає можливість кожному споживачу обрати тепловий насос, так би мовити, «під себе». Структурно-геологічні умови, а також індивідуальні вимоги можна враховувати ще на етапі проектування. Теплові насоси Viessmann використовуються для нового будівництва та модернізації опалення в існуючих будівлях. Крім моновалентного режиму, теплові насоси можуть працювати разом із сонячними установками та з існуючими системами опалення на газі

Так, теплові насоси «розсіл-вода» за посередництвом колекторів або ґрунтових зондів використовують ґрунт як основне джерело енергії. Якщо доступним джерелом тепла є вода, застосовуються теплові насоси «вода-вода»

Ґрунтові теплові насоси

Так звані «ґрунтові ТН» як первинні джерела теплової енергії отримують підземні шари ґрунту через «ґрунтові колектори» чи «ґрунтові зонди», в яких використовується розсіл як робочий теплоносій(див. рис. 1). Земля має практично необмежений ресурс тепла. На глибині від 3-х метрів температура ґрунту за посередництвом колекторів або ґрунтових зондів цілий рік зберігає температуру +10°С. Це стосується і ґрунтових вод, що залягають глибше 3 м – вони мають сталу температуру +10°С чи навіть вищу. Як приклад, система опалення музею сучасного мистецтва в м. Мюнхені, Німеччина, базується на використанні теплових насосів, що відбирають тепло від ґрунтових вод під містом, які мають цілорічну температуру +18°С. Такі умови застосування зумовлюють ефективність «підземних» теплових насосів.

Рис. 1. Ґрунтові теплові насоси з відбором тепла від первинного джерела колекторами чи зондами з розсолом

В той же час технічна продуктивність (або радше швидкість відбору тепла) теплових насосів «ґрунт-вода» суттєво обмежена швидкістю теплової передачі ґрунту в даній локації. Тому вибір даного джерела тепла для ТН має деякі особливості при проектуванні та головним чином обмежується кількістю енергії, здатної бути накопиченою та регенерованою. Тобто, продуктивність теплових насосів в даному випадку визначається не показником теплової потужності ТН, а характеристиками його холодопродуктивності. Це формує особливості проектування та обмеження використання ТН, щоб уникнути промерзання ґрунту навколо зондів чи колекторів з розсолом, що може призвести до фактичної зупинки роботи ТН через переохолодження «джерела». Головна особливість розрахунків для проектування «розсільних» ґрунтових ТН – забезпечення достатньої площі підземних колекторів (м²), їх необхідне заглиблення (м) чи довжину вертикальних зондів (м) з первинним теплоносієм, щоб швидкість тепловідбору була повільною, що дасть змогу уникнути промерзання навколишнього ґрунту. Розрахунки за паспортними даними або інструкцією з проектування ТН в подальшому визначають необхідну довжину з’єднувальних магістралей від системи збору тепла (зонд чи колектор з розсолом) до первинного теплообмінника теплового насоса (розсіл / холодоагент), що формує дані про загальну потрібну потужність циркуляційного контуру насосів розсільного контуру.

Ґрунт, як джерело тепла

Для ґрунтових (фактично – геотермальних) зондів та колекторів зазвичай використовуються пластикові труби (матеріал PE 80 чи PE 100). Для правильного розрахунку потрібно знати зовнішній діаметр пластикової труби зонду чи колектору, що значною мірою визначає загальний коефіцієнт теплопередачі. Внутрішній діаметр труби DI зумовлює гідравлічний опір зонду чи колектору та розраховується за формулою:

DI = DA – 2×S, мм,

де:

DI – внутрішній діаметр в мм;
DA – зовнішній діаметр в мм;
S – товщина стінки в мм.

Товщина стінки пластикової труби визначає міцність. Для її визначення використовують показник SDR (standard dimension ratio – стандартне співвідношення розмірів), тобто співвідношення зовнішнього діаметру DA із товщиною стінки труби S:

SDR = DA/S, мм.

Чим меншим є SDR, тим труба міцніша та більш стійка до зовнішнього та внутрішнього тиску. Типовий показник SDR можна обрати з табл. 1. Для гідравлічних розрахунків використовується діаметр внутрішнього перерізу DN, який є нормативним значенням для труби з обраною товщиною стінки. Звичайно, роботи по облаштуванню зондів чи колекторів потребують бурильних чи земляних робіт, що мають проводитися ліцензованими підприємствами з відповідним досвідом. До проведення робіт і остаточних проектних розрахунків мають бути проведені геодезично-вишукувальні роботи, на що потрібен дозвіл від місцевих органів держгірнагляду. Особливу уважність щодо цього слід приділяти при облаштуванні підземних частин контуру теплового насоса в умовах ділянок, що розташовані в межах населених пунктів чи міст, де є чи можуть бути підземні комунікації.

Вибір ґрунтових зондів

Ефективність та продуктивність ґрунтових зондів значною мірою залежить від локальних геологічних умов та може відрізнятися аж до 100%. Зазвичай для попередніх розрахунків приймається величина тепловідбору 50 Вт/м. За допомогою геологічних карт місцевості дану величину можна визначити доволі точно. Теплопровідність шарів ґрунту відрізняється та визначається за допомогою спеціальних таблиць. Уточнений остаточний розрахунок із урахування впливу всіх параметрів має бути виконаний компетентними фахівцями із спеціалізованих організацій. Вони мають визначити продуктивність свердловини та оцінити показники холодопродуктивності та сезонного використання ТН протягом року (SEER).

Слід зазначити, що тепловий насос, який працює за бівалентною паралельною схемою теплопостачання має більший річний коефіцієнт використання, ніж тепловий насос такої ж потужності, що працює в моновалентному режимі.

Для правильного гідравлічного розрахунку ґрунтових зондів має бути врахований щонайменше такий перелік діючих факторів:

• однакова пропускна здатність (об’ємної витрати) теплоносія через всі зонди;
• за наявності 3-х чи більше зондів слід передбачити перемикаючий клапан для вирівнювання протоку та гідравлічні втрати через нього;
• загальні втрати тиску в трубопроводах (для розрахунку електричної потужності циркуляційних насосів);
• матеріал зондів має бути стійким до впливу теплоносія, що використовується;
• знаючи довжину трубопроводів, можна розрахувати гідравлічний опір та обрати типорозмір і потужність розсільного циркуляційного насосу.

Вибір ґрунтових колекторів

Горизонтальні колектори дещо заглиблені в шар ґрунту та використовуються, як первинне джерело тепла, що безпосередньо межує з поверхневим (родючим) ґрунтом. Колектори мають бути заглиблені нижче межі промерзання для даної місцевості. Зазвичай в наших умовах це глибина 1,5 м. Влітку цієї глибини достатньо, щоб акумулювати достатню кількість тепла від сонячної радіації та атмосферних осадів. Поверхня ґрунту над самими колекторами не має бути затіненою чи забудованою.

Щоб уникнути значних втрат тиску доцільно не перевищувати загальну довжину колекторів більшою за 100 м. Щоб визначити необхідну площу колекторів існує два способи:

• згідно вимог VDI 4640;
• згідно рекомендацій BDH, стор. № 43.

Повністю статтю читайте за посиланням: AW-Therm.