Расчет теплового насоса
Источники тепла. Геотермальные тепловые насосы.
Как известно, геотермальные тепловые насосы используют бесплатные и возобновляемые источники энергии: низкопотенциальное тепло воздуха, грунта, подземных, сточных и сбросовых вод технологических процессов, открытых незамерзающих водоемов. На это затрачивается электроэнергия, но отношение количества получаемой тепловой энергии к количеству расходуемой электрической составляет порядка
Говоря более точно, источниками низкопотенциального тепла могут быть наружный воздух температурой от —15 до +15 °С, отводимый из помещения воздух
Если в качестве источника тепла выбран атмосферный или вентиляционный воздух, применяются тепловые насосы, работающие по схеме «воздух—вода». Насос может быть расположен внутри или снаружи помещения. Воздух подается в его теплообменник с помощью вентилятора.
При использовании в качестве источника тепла грунтовой воды она подается из скважины с помощью насоса в теплообменник насоса, работающего по схеме «вода—вода», и либо закачивается в другую скважину, либо сбрасывается в водоем.
Эффективность применения теплового насоса
Можно сократить общий расход газа более чем в два раза, либо при наличии альтернативных источников электроэнергии отказаться от него вообще, то для конкретных объектов в настоящее время много зависит от тарифной политики государства, расположения, теплоизоляционных свойств объекта и т. д.
Сравнение текущих расходов на отопление для населения по состоянию на август 2008
Молдова
Тарифы: 1000 м. куб. газа — 300 долл. США
1 квт.ч. электроэнергии — 0,1 долл. США
Для обычного чугунного напольного котла с кпд = 0,82 из 1000 м. куб. газа получим:
1000 * 9,1 квт.ч. м. куб. * 0,82 = 7462 квт.ч. тепла
Для суперсовременного конденсационного котла с кпд = 1,05 — 9555 квт.ч. тепла.
Для получения такого же количества тепла с помощью среднеэффективного универсального ТН нужно в первом случае:
7462 / 4,5 = 1658 квт.ч. электроэнергии стоимостью 166 долл.
во втором:
9555 / 4,5 = 2123 квт.ч., стоимостью 212 долл.
Уменьшение затрат по сравнению со стоимостью газа (300 долл.) соответственно:
(300 — 166) / 300 — 45%
(300 — 212) / 300 — 29%
США (Вермонт)
1000 м. куб. — 350 долл.
1 квт.ч. электроэнергии — 0,12 долл.
Экономия
Беларусь
1000 м.
1 квт.ч. электроэнергии — 74,7 руб. = 0,0349 долл.
Это если использовать утвержденные 2007 г. во многих странах дифференцированные по времени тарифы, т.е. отключать ТН в периоды максимальных нагрузок энергосистемы с 8.00 по 11.00 и с 19.00 по 22.00, что реально с использованием аккумуляторов тепла. Экономия по сравнению с обычным газовым котлом — всего до 12%. Но это сегодня. Ситуация когда газ продается по 200-230$ не может продолжаться долго. Вероятно что-то подобное будет введено и в Москве.
Год 2008 2010 2016 2026
Цена долл.за 1000 м. куб. 250 350 450 700
2. Ориентировочная зависимость необходимой теплопроизводительности ТН от площади дома с хорошими теплоизоляционными свойствами:
Площадь, м. кв. 100 150 200 250 300 350
Мощность ТН кВт. 5,0 8,0 12,0 16,0 21,0 28,0
В каждом конкретном случае производится индивидуальный расчет по теплопотерям здания. Для уменьшения капитальных затрат часто ТН используют в бивалентном режиме. Параллельно ему устанавливается, или при реконструкции оставляется дополнительный пиковый нагреватель на любом виде топлива, который включается в работу в самые холодные дни, каких у нас не так уж много. По данным Гидрометеоцентра усредненная температура по Москве для января — 4,8°С, для периода декабрь — февраль — 6,0°С. В самый холодный год за всю историю наблюдений она составила — 10 ... — 15°С в те же периоды.
При таком подключении ТН может либо отключаться, если он становится неэффективным (например «воздух—вода» при больших отрицательных температурах наружного воздуха), либо работать...
Если источник — водоем, на его дно укладывается петля из металлопластиковой или пластиковой трубы. По трубопроводу циркулирует раствор гликоля (антифриз), который через теплообменник теплового насоса передает тепло фреону.
Возможны два варианта получения низкопотенциального тепла из грунта: укладка металлопластиковых труб в траншеи глубиной
Минимальное расстояние между проложенными трубами должно быть
Vs = Qo·3600 / (1,05·3,7·.t),
где .t — разность температур между подающей и возвратной линиями, которую часто принимают равной 3 К, а Qo — тепловая мощность, получаемая от низкопотенциального источника (грунт). Последняя величина рассчитывается как разница полной мощности теплового насоса Qwp и электрической мощности, затрачиваемой на нагрев фреона P:
Qo = Qwp — P, кВт.
Суммарная длина труб коллектора L и общая площадь участка под него A рассчитываются по формулам:
L = Qo/q,
A = L·da.
Здесь q — удельный (с 1 м трубы) теплосъем; da — расстояние между трубами (шаг укладки).
Пример расчета теплового насоса1) требуемую тепловую мощность коллектора Qo = 14,5 — 3,22 = 11,28 кВт;
2) суммарную длину труб L = Qo/q = 11,28/0,020 = 564 м. Для организации такого коллектора потребуется 6 контуров длиной по 100 м;
3) при шаге укладки 0,75 м необходимая площадь участка А = 600 Ч 0,75 = 450 м2;
4) общий расход гликолевого раствора Vs = 11,28·3600/ (1,05·3,7·3) = 3,51 м3/ч, расход на один контур равен 0,58 м3/ч.
Для устройства коллектора выбираем металлопластиковую трубу типоразмера 32. Потери давления в ней составят 45 Па/м; сопротивление одного контура — примерно 7 кПа; скорость потока теплоносителя — 0,3 м/с.
Расчет зондасухие осадочные породы — 20 Вт/м;
каменистая почва и насыщенные водой осадочные породы — 50 Вт/м;
каменные породы с высокой теплопроводностью — 70 Вт/м;
подземные воды — 80 Вт/м.
Температура грунта на глубине более 15 м постоянна и составляет примерно +10 °С. Расстояние между скважинами должно быть больше 5 м. При наличии подземных течений, скважины должны располагаться на линии, перпендикулярной потоку.
Подбор диаметров труб проводится исходя из потерь давления для требуемого расхода теплоносителя. Расчет расхода жидкости может проводиться для .t = 5 °С.
Пример расчета. Исходные данные — те же, что в приведенном выше расчете горизонтального коллектора. При удельном теплосъеме зонда 50 Вт/м и требуемой мощности 11,28 кВт длина зонда L должна составить 225 м.
Для устройства коллектора необходимо пробурить три скважины глубиной по 75 м. В каждой из них размещаем по две петли из металлопластиковой трубы типоразмера 26Ч3; всего — 6 контуров по 150 м.
Общий расход теплоносителя при t = 5 °С составит 2,1 м3/ч; расход через один контур — 0,35 м3/ч. Контуры будут иметь следующие гидравлические характеристики: потери давления в трубе — 96 Па/м (теплоноситель —
Рекомендуется также установить на возвратной линии накопительный бак: компрессор теплового насоса работает в режиме «включено-выключено». Слишком частые пуски могут привести к ускоренному износу его деталей. Бак полезен и как аккумулятор энергии — на случай отключения электроэнергии. Его минимальный объем принимается из расчета
При использовании второго источника энергии (электрического, газового, жидко- или твердотопливного котла) он подключается к схеме через смесительный клапан, привод которого управляется тепловым насосом или общей системой автоматики.
В случае возможных отключений электроэнергии нужно увеличить мощность устанавливаемого теплового насоса на коэффициент, рассчитываемый по формуле: f = 24/(24 — tоткл), где tоткл — продолжительность перерыва в электроснабжении.
В случае возможного отключения электроэнергии на 4 ч этот коэффициент будет равен 1,2.
Мощность теплового насоса можно подбирать исходя из моновалентного или бивалентного режима его работы. В первом случае предполагается, что тепловой насос используется как единственный генератор тепловой энергии.
Следует принимать во внимание: даже в нашей стране продолжительность периодов с низкой температурой воздуха составляет небольшую часть отопительного сезона. Например, для центрального региона России время, когда температура опускается ниже —10 °С, составляет всего 900 ч (38 сут), в то время, как продолжительность самого сезона — 5112 ч, а средняя температура января составляет примерно —10 °С. Поэтому наиболее целесообразной является работа теплового насоса в бивалентном режиме, предусматривающая включение дополнительного теплогенератора в периоды, когда температура воздуха опускается ниже определенной: —5 °С — в южных регионах России, —10 °С — в центральных. Это позволяет снизить стоимость теплового насоса и, особенно, работ по монтажу первичного контура (прокладка траншей, бурение скважин и т.п.), которая сильно увеличивается при возрастании мощности установки.
В условиях Европы для примерной оценки при подборе теплового насоса, работающего в бивалентном режиме, можно ориентироваться на соотношение 70/30: 70 % потребности в тепле покрываются тепловым насосом, а оставшиеся 30 — электрическим котлом или другим теплогенератором. В южных регионах можно руководствоваться соотношением мощности теплового насоса и дополнительного генератора тепла, часто используемым в Западной Европе: 50 на 50.
Для коттеджа площадью 200 м2 на 4 человек при тепловых потерях 70 Вт/м2 (при расчете на —28 °С наружной температуры воздуха) потребность в тепле будет 14 кВт. К этой величине следует добавить 700 Вт на приготовление санитарной горячей воды. В результате необходимая мощность теплового насоса составит 14,7 кВт.
При возможности временного отключения электричества нужно увеличить это число на соответствующий коэффициент. Допустим, время ежедневного отключения — 4 ч, тогда мощность теплового насоса должна быть 17,6 кВт (повышающий коэффициент — 1,2). В случае моновалентного режима можно выбрать тепловой насос типа «грунт—вода» мощностью 19 кВт, потребляющий 5,3 кВт электроэнергии или более новый, с более высоким коэфициентом преобразрвания, тепловой насос с многокомпрессорной системой, (компрессоры Copeland, контроллер Carel, улучшенные теплообменники нового поколения, система резервирования, мягкий пуск и пр).
В случае использрвания бивалентной системы с дополнительным электрическим нагревателем и температурой уставки —10 °С с учетом необходимости получения горячей воды и коэффициента запаса, мощность теплового насоса должна быть 11,4 Вт, а электрического котла — 6,2 кВт (в сумме — 17,6). Потребляемая системой пиковая электрическая мощность составит 9,7 кВт.
Отметим, что при установке тепловых насосов в первую очередь следует позаботиться об утеплении здания и установке стеклопакетов с низкой теплопроводностью.
house-nn