Главная >  Нормативны 

 

К вопросу выбора тепловых насосо. Толчком для развития теплонасосных систем в мире послужили энергетические кризисы 1973 и 1978 гг. В Америке, в начале своего развития, геотермальные системы устанавливались в домах высокой ценовой категории. Но сегодня, за счет применения современных технологий, геотермальные тепловые насосы стали доступны многим американцам. Они устанавливаются в новых зданиях или заменяют устаревшее оборудование с сохранением или незначительной модификацией прежней отопительной системы.

 

Историческая справка

 

В Швеции 70% потребности в тепловой энергии обеспечивают тепловые насосы. В Стокгольме 12% всего отопления города обеспечивается геотермальными тепловыми насосами общей мощностью 320 МВт, использующими в качестве источника тепла Балтийское море.

 

В 1980-ом году в Америке уже работало около 3 млн тепловых насосов, в Японии — более 0,5 млн, в Европе — 0,15 млн. В 1993 г. общее количество установленных тепловых насосов в странах западной Европы составило свыше 12 млн. Сегодня в США ежегодно производится около 1 млн. геотермальных тепловых насосов. А при строительстве новых общественных зданий используют исключительно геотермальные тепловые насосы. Эта норма была закреплена Федеральным законодательством США. Геотермальный тепловой насос был установлен даже в широко известном небоскребе Нью-Йорка «The Empire State Building».

 

В Финляндии, Швеции и Норвегии процент использования геотермальных систем составляет около 30%.

 

В Германии предусмотрена дотация государства на установку тепловых насосов в размере 200 евро за каждый кВт установленной мощности.

 

Активный процесс инсталляции геотермальных систем начался в странах Прибалтики. В России, имеющей большие запасы нефти и газа, за последние 3 года установлено около 1000 геотермальных установок.

 

По прогнозам Мирового Энергетического Комитета, к 2020 г. доля геотермальных тепловых насосов в теплоснабжении составит 75%.

 

Тепло Земли с точки зрения теплофизики

 

Геотермальные системы безопасны и экологически чисты, они не наносят вред окружающей среде. Это утверждение подтверждает опыт более чем 30-летней эксплуатации геотермальных систем в странах, где вопрос экологии стоит далеко не на последнем месте.

 

С точки зрения теплофизики грунт является неиссякаемым источником тепловой энергии. «Отобрать» геотермальное тепло (тепло грунта) можно с помощью тепловых насосов. Тепловой насос — это устройство, которое позволяет принимать тепло от низкотемпературного источника, преобразовывать в высокотемпературное и передавать его в теплоноситель различных систем отопления или нагрева.

 

Внутренняя температура приповерхностного слоя Земли составляет около 10 °С и не зависит от сезона: зимой она выше, а летом — ниже температуры воздуха. Безусловно, эта температура слишком мала, чтобы её использовать для нужд человека. Еще в прошлом веке, успехи теплофизики и технологии рефрижераторных установок позволили разработать способы преобразования этой «низкокачественной» тепловой энергии в «высококачественную» (пригодную для использования в тепловых системах).

 

При «отборе» тепла Земли используют ее верхний слой, находящийся на глубине до 100 метров от поверхности. С точки зрения теплообмена этот слой грунта находится под воздействием лучистой энергии Солнца, радиогенного тепла из глубинных слоев Земли, конвективного теплообмена с атмосферным воздухом и теплопереноса за счет различных массообменных процессов (дождь, таяние снега, грунтовая вода и т.д.).

 

Технически простая система геотермального отопления может преобразовать и направить в здание 3,5…4,5 кВт (или около 80 Мкал/сут.) тепловой энергии, затрачивая при этом на работу установки всего 1кВт электрической мощности. В летнее время эта же система позволит охлаждать помещения. Геотермальные системы сохраняют работоспособность и эффективность даже при экстремальных температурах окружающей среды.

 

В российских источниках нами обнаружена Таблица 3 СНиП 2.02.04-88 [2], на основе которой можно составить табл. 2 по определению теплопроводности талого грунта — th.

 

В зарубежной литературе существует несколько различных классификаций грунтов. Нас, в большей степени, интересует классификация грунтов по их теплопроводности. В приведенной табл. 1 используются данные известного американского справочника ASHRAE [1].

 

Отметим, что теплопроводность грунта не является величиной постоянной в течение года. Она зависит от влажности, агрегатного состояния влаги в грунте и температуры. Причем особенно сильно влажность меняется при замерзании грунта. Данные [4] говорят о том, что теплопроводность мерзлых грунтов f составляет:

 

Из сравнения табл. 1 и 2 видно, что данные американских и российских справочников довольно адекватны. Для точного определения теплопроводности грунтов необходимо проводить экспериментальные исследования теплопроводности в месте предполагаемой установки оборудования.

 

Значение количества радиогенного тепла составляет (для зоны Центральной Европы) 0,05-0,12 Вт/м Если оно не известно, то обычно принимается 0,1 Вт/м Существует два основных способа отбора геотермального тепла — с помощью открытых и закрытых контуров. Под открытым контуром понимают использование теплоты грунтовых вод, предусматривающих доставку этих вод на поверхность, использования их теплоты и возврат в пласт.

 

О температуре грунта на различной глубине у автора есть лишь данные из зарубежных источников (см. рис. . Из этих данных можно сделать вывод, что на глубине более 8 м температура практически постоянна в течение года (изменения составляют только 1/20 изменений на поверхности). В странах, где тепловые насосы нашли широкое применение, существует такое понятие, как температура грунта. Справочник ASHRAE предлагает определять температуру грунта по температуре грунтовых вод в данной местности. Если исходить из температуры грунтовых вод, то она колеблется в пределах 8-10 °С для условий Беларуси. С незначительными отклонениями этиданные можно принять и для условий Украины.

 

В свою очередь системы с закрытыми контурами различают по типу теплообменников — горизонтальные (рис. 2, а) и вертикальные (рис. 2, б).Устройство закрытых контуров с вертикальными теплообменниками дороже, чем с горизонтальными теплообменниками. В то же время контуры с горизонтальными теплообменниками занимают большие площади, что может оказать в некоторых случаях весьма критичным условием.

 

Под закрытым контуром понимают использование теплоты грунта с помощью промежуточных теплообменников и теплоносителей.

 

Решение по выбору системы отопления принимается на этапе проектирования, и связано с реализацией конкретного проекта. Теплообмен в грунтах довольно сложный процесс, поэтому производители тепловых насосов подходят к этому вопросу по-разному.

 

Размещение труб в траншее обычно выполняется двумя основными способами: прямые и свитые в спираль трубы. В жизни существуют и другие, иногда довольно экзотические, способы, например, трубопроводы, прикрывают сверху медными пластинками (copper fins) — видимо для улучшения теплообмена.

 

Выбор мощности теплового насоса при проектировании

 

Одни рекомендуют при расчетах усредненные значения теплообмена, другие приводят вполне конкретные значения для производимых ими теплообменников, полученные в результате изучения грунтов и исследований. В Украине фактически единственная компания «ГеолбудМ» вплотную подошла к решению аналогичных вопросов.

 

Отличительной особенностью этих насосов является то, что для доступа к стабильной земной температуре используется U-образный трубопровод-испаритель с хладагентом. Хладагент непосредственно подается к источнику земного тепла, и это инженерное решение обеспечивает высокую эффективность геотермальной отопительной системы. Испаритель устанавливается в грунт горизонтально ниже глубины промерзания или вертикально, в предварительно пробуренные скважины. Скважины бурят диаметром 40-60 мм вертикально или диагонально до глубины 15 или 30 м.

 

В ряду тепловых насосов, для работы которых в качестве источника тепла используется тепло поверхностного слоя Земли, выделяется тепловые насосы EarthLinked® с подземным медным теплообменником DIRECT AXXESS® американской компании ECR Technologies Inc.

 

В первую очередь определяются теплопотери здания по методике разработанной ECR Technologies Inc. с использованием программного продукта этой же компании. Фактически методика мало чем отличается от отечественного пособия к СНиП 2.04.05-91 «Отопление, вентиляция, кондиционирование» с изменениями № 1,№2, введенными в действие Госстроем Украины в 1996 и 1999 гг.

 

На примере тепловых насосов этой компании рассмотрим, как происходит выбор мощности теплового насоса.

 

С одной стороны, это установка в здании энергосберегающей системы, с другой — это снижение теплопотери здания до уровня при котором для отопления здания достаточно 50 Вт/м Только при таких условиях проект в целом считается энергосберегающим и обеспечивается поддержкой государственного финансирования, стимулирования установщиков оборудования в странах, где сегодня разработаны соответствующие программы и активно проводится установка тепловых насосов.

 

Отдельно нужно сказать, что опыт инсталляции тепловых насосов в США, да и в Европе говорит о том, что установку теплового насоса нужно рассматривать как комплексное решение задачи по энергосбережению.

 

Из рис. 3 видно, что точка баланса системы (пресечение прямой теплопроизводительности системы отопления и прямой нагрузки ограждающих конструкций здания) должна соответствовать проектной температуре для региона, где устанавливается система отопления.

 

При проектировании, выбор теплового насоса для конкретного здания сводится к условиям, которые наглядно отображены на приведенном на рис. 3 графике димензионирования (измерения) мощности.

 

Зона графика, лежащая от точки баланса системы слева, определяет зону, в которой система не справляется с покрытием тепловых потерь ограждающих конструкций. Для таких случаев в системе предусмотрен так называемый «пиковый догреватель», который при необходимости автоматически включается, увеличивая тепловую мощность системы.

 

Зона графика, лежащая от точки баланса системы справа, определяет рабочую зону системы отопления.

 

В табл. 3 приведены значения необходимой дополнительной мощности, которая потребуется для поддержания стабильной, заданной температуры в условном здании при проектировании. Среднестатистические расчеты показывают, что использование «пикового догревателя» составляет 2-3% в год, что не может существенно отразиться в затратах на отопление. Тем не менее, существует возможность установить систему с изначально заложенной избыточной мощностью, однако это существенно скажется на капитальных затратах, то есть затратах связанных со стоимостью системы и её установкой.

 

Мощность «пиковых догревателей» выбрана таким образом, что при его включении система отопления в состоянии обеспечить заданную температуру в здании при наружных температурах воздуха до -30 ... -34 °С.

 

Использование тепловых насосов в системах радиаторного отопления влечет за собой увеличение площади радиаторов почти в два раза. На практике не всегда существует такая возможность, поэтому решение по выбору системы отопления принимается на этапе проектирования, и связано с реализацией конкретного проекта.

 

Нужно отметить, что температура бытовой воды либо теплоносителя для системы отопления на выходе теплового насоса не может превышать 50-55 °С. Именно по этой причине тепловой насос рекомендуется использовать с системой отопления «водяной лучистый пол». В такой системе температура теплоносителя, как правило, составляет 30 °С и не превышает 35 °С. Для бытовой воды 50 °С достаточная температура, даже избыточная.

 

Литература
ASHRAE Handbook. HVAC Application. Ch. 3 Energy resources. — 1999.
СНиП 2.02.04-8 Основания и фундаменты вечномерзлых грунтов.

 

Итогом расчета является представление КПД (СОР) системы при различных температурных нагрузках на здание (табл. .

 

 

ОАО. Китайский газовый путь В результате реализации проекта "Алтай" Россия сможет диверсифицировать направления экспортных поставок. Энергооптимальное управление кан. Проблемы эколого. Основы теории света.

 

Главная >  Нормативны 

0.0114