3. Методика інженерного розрахунку грунтового теплового насосу (грунтвого колектору та u-подібного зонду)

Захист від замерзання.Для безвідмовної роботи теплового насоса в первинному контурі необхідно використовувати антифриз на основі гліколю. Він повинен забезпечувати захист від замерзання до мін. -15 ° C і містити відповідні інгібітори для захисту від корозії. Готові суміші забезпечують рівномірний розподіл концентрації.

Більшістю сучасних виробників теплових насосів рекомендують для первинного контуру готову суміш "Tyfocor" на основі етиленгліколю.

Вихідні дані для вибору теплового насосу

1. Теплоспоживання будівлі (див. розрахунок тепловтрат)

2. Надбавка на приготування гарячої води для сім'ї з 3 чоловік (див. теплоспоживання)

Розрахунок ґрунтового колектора

Із табличних даних (Таблиця 13) вибирається питомий відбір потужності від ґрунту q_Ена 1 м² колектора в залежності від регіону будівництва (виду ґрунту чи породи).

Необхідна площа земляного колектора визначається за формулою:

Кількість необхідних трубних контурів Х (поліетиленова труба по 100 довжини) розраховується за формулою:

Згідно із [2] питоме співвідношення f для труб складе:

• 1,5 м.п. на 1 м² ґрунту для діаметра 32 мм;

• 2 м.п. на 1 м² ґрунту для діаметра 25 мм;

• 3 м.п. на 1 м² ґрунту для діаметра 20 мм.

Розрахунок земляного зонду у вигляді подвійної U-подібної труби

Із табличних даних (Таблиця 14) вибирається питомий відбір потужності від ґрунту q'_Е на 1 м довжини зонда в залежності від регіону будівництва (виду ґрунту чи породи).

Довжина зонда L визначає за формулою:

Рис. 4. Принципова схема подвійного ґрунтового зонда

RL Зворотна магістраль первинного контуру

VL Падаюча магістраль первинного контуру

A Бетонітно-цементна суспензія

B Захисний ковпачок

Необхідна кількість теплоносія (V_R)

1. Ґрунтовий колектор:

У розрахунок приймається об’єм земляного колектора, включаючи підвідний трубопровід, та об’єм арматури і теплового насоса. Відповідно до кількості трубних контурів необхідно передбачити розподільники.

2. Геотермальний зонд:

У розрахунок приймається об’єм земляного зонда, включаючи підвідний трубопровід, та об’єм арматури і теплового насоса. При кількості зондів > 1 передбачити розподільники. Діаметр підвідного трубопроводу повинен бути більше діаметра трубних контурів.

Необхідну кількість теплоносія визначаємо за формулою:

де v - об’єм на м.п. труби, приймається згідно табличних даних (Таблиця 15).

Розрахунок втрат тиску

Втрати тиску на ділянці визначаються за формулою:

Втрати тиску в ґрунтовому колекторі чи геотермальну зонді включають: втрати тиску в трубному контурі ( враховується лише дальній контур для ґрунтового колектора), втрати тиску у U-подібній петлі (при подвійній U-подібній петлі враховуються лише втрати через одну петлю) та втрати тиску в підвідних трубопроводах .

Отримане значення втрат тиску слід порівняти із допустимим значенням, що для даних теплових насосів становить = 40 кПа.

Розрахунок розширювального баку в первинному контурі

При максимальній довжині підвідної лінії 20 м і параметрами до PE 40 буде достатньо розширювального бака об’ємом 25 л. При більшій довжині потрібен детальний розрахунок.

Номінальний об’єм розширювального бака визначається за формулою:

де - збільшення об’єму при нагріванні установки, л визначається за формулою:

де - загальний об’єм установки (розсолу), л; - коефіцієнт розширення ( для теплоносія Tyfocor становить 0,01);

- запобіжний водяний затвор (теплоносій Tyfocor), л приймається , але не менше 3 л; - допустимий кінцевий надлишковий тиск, Па приймається як , де - тиск спрацювання запобіжного клапана примається 3·10⁵ Па; - надлишковий тиск азоту на вході, Па приймається 1,5·10⁵ Па.

Таблиця 13. Питомий відбір потужності від ґрунту для земляного колектору

Сухий піщаний ґрунт	q = 10-15 Вт/м2
Вологий піщаний ґрунт	q = 15-20 Вт/м2
Сухий глинистий ґрунт	q = 20-25 Вт/м2
Вологий глинистий ґрунт	q = 25-30 Вт/м2
Ґрунт з ґрунтовими водами	q = 30-35 Вт/м2

Такі термічні характеристики верхнього шару ґрунту, як об'ємна теплоємність і теплопровідність дуже сильно залежать від складу і стану ґрунту. Акумулюючі властивості і теплопровідність ґрунту тим більше, чим вищий вміст в ньому води, чим більше частка мінеральних компонентів (кварцу або польового шпату) і чим менше кількість пор. Питомий відбір потужності q_E для ґрунту при цьому становить від 10 до 35 Вт/м².

Таблиця 14. Можливий питомий відбір потужності q_E для подвійних U-подібних трубчастих зондів

Ґрунт	Питомий середній відбір потужності qE в Вт/м
Загальні нормативні показники
Поганий грунт (суха осадова порода) (λ <1,5 Вт/(м·K))	20
Нормальна тверда кам'яна порода і насичена водою осадова порода (1,5 ≤ λ ≤ 3,0 Вт/(м·K))	50
Тверда кам'яна порода з високою теплопровідністю (λ> 3,0 Вт/(м·K))	70
Окремі породи
Галька, пісок(сухий)	<20
Галька, пісок (вологий)	55-65
Суглинок, глина (волога)	30-40
Вапняк (масивний)	45-60
Піщаник	55-65
Кислі магматичні породи (граніт)	55-70
Основні магматичні породи (базальт)	35-55
Гнейс	60-70

Таблиця 15. Об’єм в поліетиленових трубах

Зовнішній Ø труби × товщина стінки, мм	DN	Об’єм v на м.п. труби, л
20 х 2,0	15	0,201
25 х 2,3	20	0,327
32 х 3,0 (2,9)	25	0,531
40 х 2,3	32	0,984
40 х 3,7	32	0,835

Питомі втрати тиску (R) в первинному контурі.

Значення R наведені для теплоносія Tyfocor:

• кінематична в'язкість = 4,0 мм² / с

• щільність = 1050 кг/м³

Таблиця 16. Поліетиленова труба 20 × 2,0 мм, PN 10

Об’ємна витрата л/год	Значення R для теплоносія Tyfocor Па/м
100	77,4
120	92,9
140	108,4
160	123,9
180	139,4
200	154,9
220	170,3
240	185,8
260	201,3
280	216,8
300	232,3
320	247,8
340	263,3
360	278,7
380	294,2
400	309,7

Таблиця 17. Поліетиленова труба 25 × 2,3мм, PN 10

Об’ємна витрата л/год	Значення R для теплоносія Tyfocor Па/м
100	27,5
120	32,9
140	38,4
160	43,9
180	49,4
200	54,9
220	60,4
240	65,9
260	71,4
280	76,9
300	82,3
320	87,8
340	93,3
360	98,8
380	104,3
400	109,8
420	115,3
440	120,8
460	126,3
480	131,7
500	137,2
520	142,7
540	246,3
560	262,4

Таблиця 18. Поліетиленова труба 32 × 2,9мм, PN 10

Об’ємна витрата л/год	Значення R для теплоносія Tyfocor Па/м
300	31,2
320	33,3
340	35,4
360	37,5
380	39,5
400	41,6
420	43,7
440	45,8
460	47,9
480	49,9
500	52,0
520	54,1
540	56,2
560	58,3
580	60,3
600	62,4
620	64,5
640	66,6
660	68,7
680	70,7
700	122,5
720	128,7