Розрахунок і проектування теплових насосів
Як розрахувати і вибрати тепловий насос.
Як відомо, теплові насоси використовують безкоштовні, поновлювані джерела енергії: низькопотенційне тепло повітря, грунту, підземних, відкритих незамерзающих водойм, стічних і скидних вод і повітря, а також скидати тепло технологічних підприємств. Для того щоб це зібрати витрачається електроенергія, але відношення кількості одержуваної теплової енергії до кількості витрачається електричної становить близько 3-7 разів.
Якщо говорити тільки про оточуючих нас джерелах низько потенційного тепла для використання в опалювальних цілях, це; зовнішнє повітря температурою від -3 до +15 ° С, що відводиться з приміщення повітря (15-25 ° С), підгрунтові (4-10 ° С) і грунтові (близько 10 ° C) води, озерна і річкова вода (5-10 ° С), грунтової поверхневий (нижче точки промерзання) (3-9 ° С) і земельну глибинний (більше 6 м - 8 ° C).
Відбір тепла з навколишнього середовища (внутрішній округ).
У випарнику прокачується рідка робоче середовище-холодоагент, при низькому тиску. Тепловий рівень температур навколишній випарник, вище відповідної температури кипіння робочого середовища (холодоагент підбирається такий, що може закипати навіть при мінусовій температурі). За рахунок цього перепаду температур відбувається передача тепла навколишнього середовища, робоче середовище, яка при цих температурах закипає і випаровується (перетворюється в пар). Необхідну для цього тепло відбирається від будь-якого вище перерахованого низько потенційного джерела тепла.
Більш докладно про заповнюваних джерелах енергії
Якщо в якості джерела тепла обраний атмосферне або вентиляційне повітря, застосовуються теплові насоси, що працюють за схемою «повітря-вода». Насос може бути розташований всередині або зовні приміщення, з вбудованим або виносним конденсатором. Повітря продувається через теплообмінник (випарник) за допомогою вентилятора.
Види горизонтальних теплообмінників:
- теплообмінник з послідовно з'єднаних труб;
- теплообмінник з паралельно з'єднаних труб;
- горизонтальний колектор, укладений в траншеї;
- теплообмінник у формі петлі;
- теплообмінник у формі спіралі, розташованої горизонтально (так званий «slinky» колектор);
- теплообмінник у формі спіралі, розташованої вертикально.
Відкриті системи частіше використовуються для тепло- або холодопостачання великих будівель. Найбільша в світі геотермальна теплонасосної система використовує в якості джерела низькопотенційної теплової енергії грунтові води. Ця система розташована в США в м Луїсвілль (Louisville), штат Кентуккі. Система використовується для тепло- і холодопостачання готельно-офісного комплексу; її потужність становить приблизно 10 МВт.
Візьмемо інший джерело - водойма, на його дно можна укладати петлі з пластикової труби, схема «вода-вода / закрита система». По трубопроводу циркулює розчин етиленгліколю (антифриз), який через теплообмінник (випарник) теплового насоса передає тепло холодоагенту.
Грунт має здатність акумулювати сонячну енергію протягом тривалого періоду часу, що забезпечує порівняно рівномірну температуру джерела тепла протягом року і, тим самим, високий коефіцієнт перетворення теплового насоса. Температура у верхніх шарах грунту змінюється в залежності від сезону. Нижче кордону замерзання ці температурні коливання значно знижуються. Накопичене в грунті тепло витягується за допомогою горизонтально прокладених герметичних теплообмінників, званих також земельними колекторами, або за допомогою вертикально прокладених теплообмінників, так званих геотермальними зондами. Тепло навколишнього середовища передається сумішшю води і етиленгліколю (розсолом або медіумом), температура замерзання якого повинна складати приблизно -13 ° C (взяти до уваги дані виробника). Завдяки цьому розсіл не замерзає в процесі роботи.
Значить, можливі два варіанти отримання низько потенційного тепла з грунту. Горизонтальна укладка пластикових труб в траншеї глибиною 1,3-1,7 м, в залежності від кліматичних умов місцевості, або вертикальні свердловини глибиною 20-100 м. Укладання труб в траншеї, можна виробляти і в вигляді спіралей, але з глибиною укладання 2 4 м, це значно зменшить загальну довжину траншей. Максимальна тепловіддача поверхневого грунту становить від 7 до 25 Вт з м.п. з геотермального 20-50 Вт з м.п. За даними компаній виробників, термін служби траншей і свердловин складає більше 100 років.
З 1986 року в Швейцарії, недалеко від Цюріха, проводилися дослідження системи з вертикальними ґрунтовими теплообмінниками [4]. У ґрунтовому масиві був влаштований вертикальний ґрунтовий теплообмінник коаксіального типу завглибшки 105 м. Цей теплообмінник використовувався як джерело низькопотенційної теплової енергії для теплонасосної системи, встановленої в одноквартирному житловому будинку. Вертикальний ґрунтовий теплообмінник забезпечував пікову потужність приблизно 70 Вт на кожний метр довжини, що створювало значну теплове навантаження на навколишній ґрунтовий масив. Річне виробництво теплової енергії становить близько 13 МВт • год.
На відстані 0,5 і 1 м від основної свердловини були пробурені дві додаткових, в яких на глибині в 1, 2, 5, 10, 20, 35, 50, 65, 85 і 105 м встановлені датчики температури, після чого свердловини були заповнені глинисто-цементною сумішшю. Температура вимірювалася кожні тридцять хвилин. Крім температури грунту фіксувалися і інші параметри: швидкість руху теплоносія, споживання енергії приводом компресора температура повітря і т. П.
На підставі експериментальних даних були побудовані математичні моделі процесів, що проходять в ґрунтовому масиві, що дозволило зробити довгостроковий прогноз зміни температури грунтового масиву.
Математичне моделювання показало, що щорічне зниження температури буде поступово зменшуватися, а обсяг грунтового масиву навколо теплообмінника, схильного зниження температури, з кожним роком буде збільшуватися. Після закінчення періоду експлуатації починається процес регенерації: температура грунту починає підвищуватися. Характер протікання процесу регенерації подібний характером процесу "відбору" тепла: в перші роки експлуатації відбувається різке підвищення температури грунту, а в наступні роки швидкість підвищення температури зменшується. Тривалість періоду "регенерації" залежить від тривалості періоду експлуатації. Ці два періоди приблизно однакові. В даному випадку період експлуатації ґрунтового теплообмінника дорівнював тридцяти років, і період "регенерації" також оцінюється в тридцять років
Таким чином, системи тепло- і холодопостачання будівель, які використовують низькопотенційне тепло землі, являють собою надійне джерело енергії, який може бути використаний повсюдно. Це джерело може використовуватися протягом досить тривалого часу і може бути відновлений після закінчення періоду експлуатації.
Розрахунок горизонтального колектора теплового насоса
Мінімальна відстань між прокладеними трубами має бути не менше 0,7-0,8 м. Довжина однієї траншеї може коливатися від 30 до 150 м. Важливо щоб довжини підключаються контурів були приблизно однаковими. В якості теплоносія первинного контуру рекомендується використовувати розчин етиленгліколю (медіум) з точкою замерзання приблизно -13 ° C. У розрахунках слід врахувати, що теплоємність розчину при температурі 0 ° С становить 3,7 кДж / (кг · К), а щільність - 1,05 г / см 3. При використанні медіума, втрата тиску в трубах в 1,5 рази більше , ніж при циркуляції води. Для розрахунку параметрів первинного контуру теплонасосної установки буде потрібно визначити витрата медіума:
де .t - різниця температур між що подає й поворотній лініями, яку часто приймають рівною 3 ок. Тоді Qo - теплова потужність, що отримується від низько потенційного джерела (грунт). Остання величина розраховується як різниця повної потужності теплового насоса Qwp і електричної потужності, що витрачається на нагрів холодоагенту P.
Сумарна довжина труб колектора L і загальна площа ділянки під нього A розраховуються за формулами:
Тут q - питома (з 1 м труби) знімання; da - відстань між трубами (крок укладання).
Приклад розрахунку. Теплового Насос.
Вихідні умови: теплонеобхідністю котеджу площею 120-240 м 2 (з розрахунку теплових втрат з урахуванням інфільтрації) - 13 кВт; температура води в системі опалення приймаємо рівною 35 ° С (подполовой обігрів); мінімальна температура теплоносія на вихід в випарник - 0 ° С. Для обігріву будівлі обраний тепловий насос потужністю 14,5 кВт з існуючого технічного ряду обладнання, з урахуванням втрат на в'язкості медіума, при відборі і передачі теплової енергії з грунту, становить 3,22 кВт. Знімання тепла з поверхневого шару грунту (суха глина), q дорівнює 20 Вт / м.п. Відповідно до формулами розраховуємо:
1) необхідна теплова потужність колектора Qo = 14,5 - 3,22 = 11,28 кВт;
2) сумарну довжину труб L = Qo / q = 11,28 / 0,020 = 564 м.п. Для організації такого колектора буде потрібно 6 контурів довжиною по 100 м;
3) при кроці укладання 0,75 м необхідна площа ділянки А = 600 х 0,75 = 450 м 2;
4) загальна заправка Етіленгліколевие розчину Vs = 11,28 · 3600 / (1,05 · 3,7 · 3) = 3,51 м 3. в один контур дорівнює 0,58 м 3.
Для пристрою колектора вибираємо пластикову трубу типорозміру 32х3. Втрати тиску в ній складуть 45 Па / м.п .; опір одного контуру - приблизно 7 кПа; швидкість протоку теплоносія - 0,3 м / с.
При використанні вертикальних свердловин глибиною від 20 до 100 м в них занурюються U-подібні пластикові (при діаметрах від 32 мм) труби. Як правило, в одну свердловину вставляється дві петлі, з заливанням суспенсним розчином. В середньому питома знімання такого зонда можна прийняти рівним 50 Вт / м.п. Можна також орієнтуватися на наступні дані по знімання тепла:
- сухі осадові породи - 20 Вт / м;
- кам'янистий ґрунт і насичені водою осадові породи - 50 Вт / м;
- кам'яні породи з високою теплопровідністю - 70 Вт / м;
- підземні води - 80 Вт / м.
Температура грунту на глибині понад 15 м постійна і становить приблизно + 9 ° С. Відстань між свердловинами повинна бути більше 5 м. При наявності підземних течій, свердловини повинні розташовуватися на лінії, перпендикулярній потоку.
Підбір діаметрів труб проводиться виходячи з втрат тиску для необхідної витрати теплоносія. Розрахунок витрати рідини може проводитися для t = 5 ° С.
Вихідні дані - ті ж, що і в наведеному вище розрахунку горизонтального колектора. При питомій теплос'еме зонда 50 Вт / м і необхідної потужності 11,28 кВт довжина зонда L повинна скласти 225 м.
Для пристрою колектора необхідно пробурити три свердловини глибиною по 75 м. У кожній з них розміщуємо по дві петлі труби типорозміру 32х3; всього - 6 контурів по 150 м.
Загальний витрата теплоносія при .t = 5 ° С складе 2,1 м 3 / год; витрата через один контур - 0,35 м 3 / ч. Контури матимуть наступні гідравлічні характеристики: втрати тиску в трубі - 96 Па / м (теплоносій - 25-відсотковий розчину етиленгліколю); опір контуру - 14,4 кПа; швидкість потоку - 0,3 м / с.
Оскільки температура антифризу може змінюватися (від -5 до +20 ° С) в первинному контурі теплонасосної установки необхідний гідравлічний розширювальний бак.
Рекомендується також встановити на опалювальної (конденсаторної) лінії теплового насоса накопичувальний бак: компресор теплового насоса працює в режимі «включено-виключено». Занадто часті пуски можуть привести до прискореного зносу його деталей. Бак корисний і як акумулятор енергії - на випадок відключення електроенергії. Його мінімальний обсяг приймається з розрахунку 20-30 л на 1 кВт потужності теплового насоса.
При використанні біваленціі, другого джерела енергії (електричного, газового, рідко-або твердопаливного котла), він підключається до схеми через акумуляторний бак, що є ще й термогідрораспределітелем, включення котла управляється тепловим насосом або верхнім рівнем системою автоматики.
У разі можливих відключень електроенергії можна збільшити потужність встановлюваного теплового насоса на коефіцієнт, що розраховується за формулою: f = 24 / (24 - t вимк), де t вимк - тривалість перерви в електропостачанні.
У разі можливого відключення електроенергії на 4 ч цей коефіцієнт дорівнюватиме 1,2.
Потужність теплового насоса можна підбирати виходячи з моновалентного або бівалентного режиму його роботи. У першому випадку мається на увазі, що тепловий насос використовується як єдиний генератор теплової енергії.
В умовах Центрального регіонаУкаіни для приблизної оцінки при підборі теплового насоса, що працює в бівалентному режимі, можна орієнтуватися на співвідношення 70/30: 70% потреби в теплі покривають тепловим насосом, а що залишилися 30 - електричним або іншим джерелом теплової енергії. У південних регіонах можна керуватися співвідношенням потужності теплового насоса і додаткового джерела тепла, часто використовуваних в Західній Європі: 50 на 50.
Для котеджу площею 200 м 2 на 4 чоловік при теплових втратах 70 Вт / м 2 (при розрахунку на -28 ° С зовнішньої температури повітря) потреба в теплі буде 14 кВт. До цієї величини слід додати 700 Вт на приготування санітарної гарячої води. В результаті необхідна потужність теплового насоса складе 14,7 кВт.
При можливості тимчасового відключення електрики потрібно збільшити це число на відповідний коефіцієнт. Припустимо, час щоденного відключення - 4 год, тоді потужність теплового насоса повинна бути 17,6 кВт (підвищувальний коефіцієнт - 1,2). У разі моновалентного режиму можна вибрати тепловий насос типу «грунт-вода» потужністю 17,1 кВт, що споживає 6,0 кВт електроенергії.
Для бівалентної системи з додатковим електричним нагрівачем і температурою подачі холодної води 10 ° С для необхідності отримання гарячої води і коефіцієнта запасу, потужність теплового насоса повинна бути 11,4 Вт, а електричного котла - 6,2 кВт (в сумі - 17,6) . Споживана системою пікова електрична потужність складе 9,7 кВт.
Орієнтовна вартість споживаного за сезон електрики, при роботі теплового насоса в моновалентному режимі складе 500 руб. а в бівалентному при температурі нижче (-10 ° С) - 12 500. Вартість енергоносія при використанні тільки відповідного котла складе: електрики - 42 000, дизельного палива - 25 000, а газу - близько 8000 руб. (При наявності підведеної труби і існуючих вУкаіни низьких цінах на газ). В даний час для наших умов по економічності роботи, тепловий насос може бути порівняний тільки з газовим котлом нових серій, а по експлуатаційних витрат, довговічності, безпеки (не потрібно приміщення котельні) та екологічну чистоту перевершує всі інші види виробництва теплової енергії.
Відзначимо, що при установці теплових насосів в першу чергу слід подбати про утеплення будівлі та встановлення склопакетів з низькою теплопровідністю, що знизити теплові втрати будівлі, а значить і вартість робіт і обладнання.