Как взять тепло у земли
Опубликовано: 14 декабря 2010 г.
489
Т. Сергеев
Определение параметров теплового насоса (ТН) и его внешнего контура часто вызывают затруднение. При проектировании необходим комплексный учет ряда факторов, существенно влияющих не только на эффективность, но и на надежность теплоснабжения.
Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.
Факторы теплового режима внешнего контура
При выборе ТН очень важно правильно определить теплопотребление здания. При этом надо учитывать, что пиковые отопительные нагрузки в средней климатической зоне носят кратковременный характер и их покрытие в моновалентном режиме экономически нецелесообразно. Поэтому системы с ТН без дополнительного теплогенератора (котла или ТЭНа) эксплуатируются редко. Кроме того, моновалентный режим работы установок «воздух–воздух» и «воздух–вода» при температурах воздуха ниже –10 ˚С неэффективен, а ниже –15 ˚С для большинства моделей невозможен.
Системы на базе ТН, конструируемые как основные источники теплоснабжения, обычно предполагают обустройство первичного контура, отбирающего тепло у грунта или воды. При этом первый может рассматриваться как тепловой аккумулятор неограниченной емкости, а вторая – требует наличия определенных объемов (озеро, пруд) или величины потока (наземные или подземные реки) для обеспечения расчетного теплосъема, а также учета возможности полного промораживания в зимний период. Тепловой режим грунта формируется под действием таких основных факторов как солнечная радиация, атмосферная и радиогенная энергии. Сезонные и суточные изменения интенсивности инсоляции и температуры наружного воздуха вызывают значительные колебания температуры верхних слоев грунта. Для сезонных глубина обычно не превышает – 1,5–2,0 м, для суточных, в зависимости от конкретных почвенно-климатических условий, – лежит в пределах нескольких десятков сантиметров. Тепловой режим слоев грунта, расположенных ниже глубины 2 м («нейтральной зоны»), формируется под воздействием тепловой энергии недр и практически не зависит от сезонных, а тем более суточных изменений параметров. Удельное значение потока радиогенного тепла для разных местностей различается. Обычно оно составляет 0,05–0,12 Вт/м2.
При эксплуатации геотермальных систем грунт в зоне регистра труб теплообменника вследствие сезонных колебаний температуры и эксплуатационных нагрузок многократно замораживается и оттаивает. При этом изменяется агрегатное состоянии воды в его порах, находящейся, в общем случае, как в жидкой, так и в твердой и газообразной фазах одновременно. Наличие влаги в порах оказывает заметное влияние на процесс распространения тепла, но точный учет этого влияния затруднителен. Поэтому на практике используются эмпирические коэффициенты, позволяющие приблизительно учитывать влажность и пористость грунта. На температурный режим его верхних слоев, значимый при прокладке горизонтальных первичных контуров, оказывает существенное влияние влага атмосферных осадков и грунтовые (почвенные) воды. Так, для сухих песка и глины она составляет соответственно 10 и 20, а при большом содержании в последней воды – уже 35 Вт/м.
При ошибочном определении максимального удельного значения теплосъема первичного контура, грубых нарушениях при его прокладке возможно не только неудовлетворительное теплоснабжение при достаточной или даже избыточной мощности ТН, но и полное глубокоепромораживание водяного объема или грунта. В результате весной участки зазеленевшей травы длительное время соседствуют с полосами, лишенными из-за образовавшегося льда растительности (так называемая «зебра»).
Горизонтальный геотермальный коллектор
Можно выделить следующие его типы: последовательно или параллельно соединенные трубы, уложенные в один или несколько вертикальных рядов; петли; спирали («slinky»- коллектор). Для их конструкции справедлив ряд общих требований. Эта часть первичного контура, представляющего собой уложенные на глубину не менее 1,2–1,5 м в траншеи или котлованы полимерные или металлопластиковые трубы с циркулирующим антифризом, должна гарантировать требуемую величину отбора тепловой энергии. При этом значительно уменьшить необходимый объем земляных работ и площадь участка теплосъема позволяет спиралевидная укладка труб в траншеи большей (до 4 м) глубины. Но возможную теплоотдачу грунта следует принимать не более 70 кВт•ч/м2 в год. Попытка получить больше тепловой энергии может привести к перерасходу электроэнергии и промерзанию грунта. Значение удельного теплосъема изменяется в широких пределах в зависимости от ряда факторов: наличие и характер грунтовых вод, состав и плотность грунта, глубина укладки и др.; часть из них имеет сезонный характер. Ориентировочно его можно принять для горизонтальных земляных контуров 20 Вт/м, но для более точного определения необходимо воспользоваться услугами специализированных организаций. Разница температур на входе и выходе коллектора ΔT, необходимая для определения общего количества полученного тепла, в расчетах для грунтовых коллекторов обычно принимается равной 3 ˚С (для использующих в той или иной степени подземные воды она может быть 5–8 °С). Участок с коллектором должен быть доступен для инсоляции, обеспечивающей восполнение взятого из поверхностного слоя земли тепла.
Расстояние между трубами по горизонтали допускается не меньше 0,7–0,8 м, аналогично определяется минимальный требуемый диаметр спирали. В настоящее время в качестве теплоносителя первичного контура часто используется водный 25-процентный раствор этиленгликоля (его также часто называют рассолом, что не совсем точно). Его теплоемкость при 0 ˚С – 3,7 кДж/(кг•К), а плотность – 1,03 г/см3. Важно также, что потери давления в трубах будут приблизительно в 1,5–1,7 раза больше, чем при использовании воды. Требуемый расход антифриза составит:
V = Qn•3600/[1,03•3,7•(T1–T2)], м3,
где T1 и T2 – температуры соответственно в подающей и обратной линиях (в расчетах их разность, как уже говорилось, обычно принимают равной 3 °С), Qn – тепловая мощность, которую предполагается получить от грунта. Она будет равна разнице Qtn – полной мощности ТН и собственно электрической Qe, затрачиваемой на сжатие и нагрев при этом фреона:
Qn= Qtn – Qe , кВт.
Для конструирования первичного контура необходимо также знать общую длину труб коллектора L и площадь участка S, который он займет. Эти параметры рассчитываются последовательно через удельный теплосъем q и шаг укладки труб d по простым формулам:
L = Qn/q, м,
S = L•d , м2.
Мощность ТН выбирается исходя из среднего теплопотребления объекта с запасом 10–15 %. На выбор оказывает влияние наличие ГВС и предполагаемый режим работы (моно- или бивалентный). Поэтому мощность необходимо будет увеличить на величину дополнительного теплопотребления, учитывая или не учитывая пиковые нагрузки, общая длительность которых в средней климатической зоне не превышает 900 ч.
Вертикальный коллектор (зонд)
Для установки зондов требуется пробурить вертикальные скважины, глубина которых может доходить до 100 м. Распространены два вида конструкций вертикальных скважинных коллекторов: «труба в трубе» и U-образная. В первом случае пластиковая труба (диаметром 32–50 мм) проходит по оси стальной (диаметром 100-120 мм), заваренной внизу. Такая конструкция успешно сопротивляется подвижкам грунта и обеспечивает хорошую теплопередачу, однако сложна при проведении монтажа. Во втором – в скважины погружаются петли (обычно две, но может быть и три) полимерных (ПЭ80–100) или металлопластиковых труб, соединяемых внизу U-образным наконечником. После этого пространство вокруг зонда заполняют бурильным раствором или бетонитоцементной смесью (для защиты труб от механических повреждений и лучшей теплопередачи). Наверху трубы по траншее подводят к дому. Расстояние между скважинами должно быть не меньше 5 м (лучше 10–15 м), а использование подземных вод требует расположения зондов перпендикулярно их потоку. Возможен также вариант с вертикальным спиральным коллектором и использование в качестве грунтовых теплообменников строительных конструкций, например, фундаментных свай, конструктивно объединенных с трубопроводами. Но в любом случае теплоотбор не должен превышать 100 кВт• ч/м в год.
Для точного расчета необходимой глубины скважин (длины зонда) требуется знать максимально возможное значение удельного теплосъема. Как уже отмечалось, на него в значительной степени влияют как характер грунта (а он может меняться с глубиной), так и его влажность или наличие подземных вод. При этом удельный теплосъем варьируется от 20 Вт/м для сухих осадочных пород (глины с примесью песка) до 80. Температуру на глубинах более 15 м принято считать постоянной и равной 10 °С (при отсутствии более точных данных).
В расчетах длина труб (подача–«обратка») в зонде не суммируется, так же как и длина петель в одной скважине – т.е. расчет ведется по максимальному теплосъему с погонного метра скважины. Диаметры трубы подбираются с учетом потери давления для необходимого расхода теплоносителя. Разница температуры подающего и обратного участков петли (T1–T2) условно принимается 5 °С.
Пример расчета. Общий его принцип тот же, что и для горизонтального коллектора. Удельный теплосъем (при отсутствии точных данных, получение которых сопряжено с дополнительными исследованиями) условно принимается равным 40 Вт/м. Аналогично длине горизонтального коллектора рассчитывается общая протяженность зонда. Исходные данные: теплопотребление дома с ГВС площадью 150 м2 – 15 кВт, ТН используется в бивалентном режиме, и при низких отрицательных температурах воздуха теплоснабжение здания осуществляется за счет альтернативного источника энергии. По каталогу одной из фирм, допустим Viessmann, подбирается оборудование: Vitocal 300-G BW/BWC 114 мощностью 15,1 кВт, с температурой подачи 60 °С и электропотреблением 3,27 кВт. Требуемая мощность Qn составит для него 15,1 – 3,27 = 11,83 кВт, длина зонда L = Qn/q = 296 м. Для устройства коллектора потребуются три скважины глубиной по 100 м, в которые надо уложить шесть контуров труб ПЭ80 32х3 мм длиной по 200 м, или четыре по 75 с восемью контурами по 150 м. Общий расход теплоносителя при (T1–T2) = 5 ˚С составит 2,21 м3/ч, расход через один контур при первом варианте – 0,37, при втором – 0,28 м3/ч. Контуры будут иметь гидравлическое сопротивление соответственно 14 и 10,5 кПа, при потерях давления в трубе 45 Па/м и скорости потока теплоносителя (25-процентный раствор этиленгликоля) 3 м/с.
Подбор оборудования
Температура раствора (антифриза) в первичном контуре может изменяться на 25–30 °С, что сопровождается изменением его объема. Поэтому необходима установка расширительного (с подпором 0,5 и максимальным избыточным давлением 2,5 бар), а на обратной линии – накопительного бака-аккумулятора: слишком частные пуски/остановки компрессора ТН ведут к его быстрому износу. Такой бакаккумулятор будет полезен и при возможном отключении электроэнергии. Его объем рассчитывают из соотношения примерно 20 л на 1 кВт мощности ТН. Возможные перебои в электроснабжении требуют увеличения мощности теплового насоса на коэффициент k = 24/(24 – tоткл), где tоткл – время (ч) перерыва в электроснабжении. Однако k учитывается лишь в том случае, если это время превышает два часа. Считается, что до этого срока тепловая инерция здания нивелирует последствия прекращения работы оборудования.
В большинстве густонаселенных районов РФ время, когда температура наружного воздуха опускается ниже –10 °С, составляет не более 900 ч в год, при продолжительности отопительного сезона примерно 5100. Очевидно, что выбор ТН в расчете на работу в моновалентном режиме, с избыточной, «пиковой», мощностью, не используемой большую часть года, нерационален. Наиболее эффективен бивалентный режим, при котором дополнительный теплогенератор включается только при понижении температуры ниже расчетной (–10 °С для центральных регионов России). Это позволяет снизить не только стоимость ТН, но и дорогостоящих работ по прокладке коллектора первичного контура, объем которых напрямую зависит от расчетного теплосъема. В Центральном регионе тепловая нагрузка ТН выбирается из расчета примерно 70–85 % максимального теплопотребления здания. В южных районах можно использовать соотношение мощности ТН и дополнительного теплогенератора, обычное для Западной Европы: 50/50.
Для индивидуального дома площадью 150 м2, в котором проживают пять человек, при тепловых потерях 90 Вт/м2 (при расчете на –25 °С наружной температуры воздуха), потребность в тепле для отопления составит 13,5 кВт. ГВС увеличит эту цифру еще на 1 кВт – до 14,5. Временные отключения электричества в течение 4 ч потребуют увеличить мощность ТН в 1,2 раза – до 17,4 кВт. Использование ТН в моновалентном режиме вызовет, например, необходимость установки ТН с электрической мощностью порядка 4 кВт. Применение бивалентной моноэнергетической системы (с дополнительным электрическим нагревателем) и температурой уставки –10 °С позволит снизить необходимую теплопроизводительность ТН до 11,6 кВт (электрический котел мощностью 5,8 кВт). При этом потребляемая пиковая электрическая мощность составит примерно 8,4 кВт, стоимость электроэнергии за отопительный сезон при работе в моновалентном режиме будет лишь на 10 % меньше, чем в бивалентном моноэнергетическом. Использование газового или твердотопливного котла как «пикового» или дополнительного источника тепла позволит еще больше снизить расходы. Поэтому в настоящее время с экономической точки зрения ТН в России уступают лишь газовым котлам, но по ряду других параметров – эксплуатационным затратам, долговечности, экологичности – их опережают.
В качестве иллюстраций использованы фотографии с сайта компании Water Energy www.waterenergy.ru
Статья напечатана в журнале «Аква-Терм» #6(58) 2010