Тепловые насосы с подземным источником тепла - особенности применения

Тепловые насосы (далее - ТН) получают все большее распространение благодаря очевидной екомичности и энергоэффективности. Широкий ассортимент дает возможность каждому потребителю выбрать тепловой насос, так сказать, «под себя». Структурно-геологические условия, а также индивидуальные требования можно учитывать еще на этапе проектирования. Тепловые насосы Viessmann используются для нового строительства и модернизации отопления в существующих зданиях. Кроме моновалентного режима, тепловые насосы могут работать вместе с солнечными установками и с существующими системами отопления на газе.

Так, тепловые насосы «рассол-вода» посредством коллекторов или грунтовых зондов используют почву в качестве основного источника энергии. Если доступным источником тепла является вода, применяются тепловые насосы «вода-вода»

Грунтовые тепловые насосы
Так называемые «грунтовые ТН» как первичные источники тепловой энергии получают подземные слои почвы через «грунтовые коллекторы» или «грунтовые зонды», в которых используется рассол как рабочий теплоноситель (см. Рис. 1). Земля имеет практически неограниченный ресурс тепла. На глубине от 3-х метров температура почвы посредством коллекторов или грунтовых зондов целый год сохраняет температуру + 10 ° С. Это касается и грунтовых вод, залегающих глубже 3 м - они имеют постоянную температуру + 10 ° С или даже выше. В качестве примера, система отопления музея современного искусства в г.. Мюнхене, Германия, базируется на использовании тепловых насосов, отбирают тепло от грунтовых вод под городом, которые имеют круглогодичную температуру + 18 ° С. Такие условия применения обусловливают эффективность «подземных» тепловых насосов.

Рис. 1. Грунтовые тепловые насосы с отбором тепла от первичного источника коллекторами или зондами с рассолом

В то же время техническая производительность (или скорее скорость отбора тепла) тепловых насосов «грунт-вода» существенно ограничена скоростью тепловой передачи почвы в данной локации. Поэтому выбор данного источника тепла для ТН имеет некоторые особенности при проектировании и главным образом ограничивается количеством энергии, способной быть накопленной и регенерированной. То есть, производительность тепловых насосов в данном случае определяется не показателем тепловой мощности ТН, а характеристиками его холодопроизводительности. Это формирует особенности проектирования и ограничения использования ТН, чтобы избежать промерзания почвы вокруг зондов или коллекторов с рассолом, что может привести к фактической остановке работы ТН из-за переохлаждения «источники».

Главная особенность расчетов для проектирования «рассольных» грунтовых ТН - обеспечение достаточной площади подземных коллекторов (м2), их необходимо углубление (м) или длину вертикальных зондов (м) с первичным теплоносителем, чтобы скорость теплоотбора была медленной, что позволит избежать промерзания окружающей почвы . Расчеты по паспортным данным или инструкции по проектированию ТН в дальнейшем определяют необходимую длину соединительных магистралей от системы сбора тепла (зонд или коллектор с рассолом) до первичного теплообменника теплового насоса (рассол / хладагент), что формирует данные об общей нужную мощность циркуляционного контура насосов рассольного контура.

Грунт, как источник тепла
Для грунтовых (фактически - геотермальных) зондов и коллекторов обычно используются пластиковые трубы (материал PE 80 или PE 100). Для правильного расчета нужно знать внешний диаметр пластиковой трубы зонда или коллектора, в значительной мере определяет общий коэффициент теплопередачи. Внутренний диаметр трубы DI приводит гидравлическое сопротивление зонда или коллектора и рассчитывается по формуле:

DI = DA - 2 × S, мм,

где:

DI - внутренний диаметр в мм;
DA - наружный диаметр в мм;
S - толщина стенки в мм.

Толщина стенки пластиковой трубы определяет прочность. Для ее определения используют показатель SDR (standard dimension ratio - стандартное соотношение размеров), то есть соотношение внешнего диаметра DA с толщиной стенки трубы S:

SDR = DA / S, мм.

Чем меньше SDR, тем труба прочнее и более устойчива к внешнему и внутреннему давлению. Типичный показатель SDR можно выбрать из табл. 1. Для гидравлических расчетов используется диаметр внутреннего сечения DN, который является нормативным значением для трубы с выбранной толщиной стенки. Конечно, работы по обустройству зондов или коллекторов требуют бурильных или земляных работ, должны проводиться лицензированными предприятиями с соответствующим опытом. К проведению работ и окончательных проектных расчетов должны быть проведены геодезическо-изыскательские работы, на что требуется разрешение от местных органов Госгорнадзора. Особую внимательность в этом следует уделять при обустройстве подземных частей контура теплового насоса в условиях участков, расположенных в границах населенных пунктов или городов, где есть или могут быть подземные коммуникации.

Выбор грунтовых зондов
Эффективность и производительность грунтовых зондов в значительной степени зависит от локальных геологических условий и может отличаться вплоть до 100%. Обычно для предварительных расчетов принимается величина теплоотбора 50 Вт / м. С помощью геологических карт местности данную величину можно определить довольно точно. Теплопроводность слоев почвы отличается и определяется с помощью специальных таблиц. Уточненный окончательный расчет с учета влияния всех параметров должен быть выполнен компетентными специалистами из специализированных организаций. Они должны определить производительность скважины и оценить показатели холодопроизводительности и сезонного использования ТН течение года (SEER). Следует отметить, что тепловой насос, работающий по Бивалентный параллельной схеме теплоснабжения имеет больший годовой коэффициент использования, чем тепловой насос такой же мощности, работающий в моновалентном режиме. Для правильного гидравлического расчета грунтовых зондов должен быть учтен по меньшей мере такой перечень действующих факторов:

 - одинаковая пропускная способность (объемного расхода) теплоносителя через все зонды;
 - при наличии 3-х или более зондов следует предусмотреть переключающий клапан для выравнивания пролив и гидравлические потери из-за него;
 - общие потери давления в трубопроводах (для расчета электрической мощности циркуляционных насосов);
 - материал зондов должно быть устойчивым к воздействию теплоносителя используется;
 - зная длину трубопроводов, можно рассчитать гидравлическое сопротивление и выбрать типоразмер и мощность рассольного циркуляционного насоса.

Выбор грунтовых коллекторов
Горизонтальные коллекторы несколько углубленные в слой почвы и используются, как первичный источник тепла, непосредственно граничит с поверхностным (плодородной) грунтом. Коллекторы должны быть заглублены ниже границы промерзания для данной местности. Обычно в наших условиях это глубина 1,5 м. Летом этой глубины достаточно, чтобы аккумулировать достаточное количество тепла от солнечной радиации и атмосферных осадков. Поверхность почвы над самими коллекторами не должно затененной или застроенной.

Чтобы избежать значительных потерь давления целесообразно не превышать общую длину коллекторов больше 100 м. Чтобы определить необходимую площадь коллекторов существует два способа:

- согласно требованиям VDI 4640;
- согласно рекомендациям BDH стр. № 43.    

Полностью ознакомиться со статьей можно по ссылке: AW-Therm.