Контрольные вопросы

1. Виды ВЭР используемые в крупных ТНУ?

2. Какова температура ВЭР?

3. Утилизация теплоты в ТНУ?

4. Сбросная теплота, что это такое?

6. Грунтовые тепловые насосы

Теплоту Земли можно разбить на два вида тепловой энергии – высокопотенциальную и низкопотенциальную. Источником высокопотенциальной тепловой энергии являются гидротермальные ресурсы – термальные воды, нагретые в результате геологических процессов до высокой температуры, что позволяет их использовать для теплоснабжения зданий. Использование высокопотенциальной теплоты Земли ограничено районами с определенными геологическими параметрами. Например, Камчатка, район Кавказских Минеральных Вод, в Европе источники высокопотенциальной теплоты разведаны в Венгрии, Франции и широко используются в Исландии.

В отличие от «прямого» использования высокопотенциальной теплоты, преобразование и использование низкопотенциальной теплоты грунта для теплоснабжения посредством тепловых насосов возможно практически повсеместно. В настоящее время это одно из наиболее динамично развивающихся направлений использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Геотермальные тепловые насосы получили широкое распространение в США, Канаде и странах Европейского Сообщества.

С увеличением глубины температура грунта возрастает в соответствии с геотермическим градиентом примерно 3 ⁰C на каждые 100 м. Величина потока радиогенной теплоты, поступающей из земных недр, для разных местностей различается. Для Центральной Европы эта величина составляет 0,05 - 0,12 Вт/м² /44/. Если она не известна, то обычно принимается 0,1 Вт/м ². Поступление радиогенной теплоты из земных недр и солнечной энергии, падающей на поверхность Земли, приводит к тому, что до глубин около 10 м температура грунта изменяется по сезонам года, а ниже остается постоянной и равной 8 - 9 ⁰C рис. 6.1.

Теплонасосное оборудование связывают с грунтовым массивом грунтовые теплообменники. Кроме «извлечения» теплоты Земли, грунтовые теплообменники могут использоваться и для накопления теплоты или холода в грунтовом массиве. При циркуляции по ним теплоносителя с температурой ниже температуры грунта, происходит «отбор» тепловой энергии от грунта и перенос ее к испарителю теплового насоса или, при использовании теплоносителя с повышенной относительно грунта температурой, его охлаждение. Выделяется два вида систем использования низкопотенциальной тепловой энергии грунта:

- открытые системы: в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии используются грунтовые воды, подводимые непосредственно к тепловым насосам;

- замкнутые системы: теплообменники располагаются в грунтовом массиве.

Рис. 6.1. Изменение температуры грунта по глубине

Открытые системы

Основная часть открытых систем – скважины, позволяющие извлекать грунтовые воды из водоносных слоев и возвращать воду обратно в те же водоносные слои. Обычно для этого устраиваются парные скважины. Схема открытой системы использования низкопотенциальной тепловой энергии грунтовых вод приведена на рис. 6.2.

Открытые системы чаще используются для тепло- или холодоснабжения крупных зданий. Самая большая в мире геотермальная теплонасосная система использует в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии грунтовые воды. Эта система расположена в США в г. Луисвилль, штат Кентукки. Система используется для тепло- и холодоснабжения гостинично-офисного комплекса и ее мощность составляет около 10 МВт.

Рис. 6.2. Схема открытой системы

Достоинством открытых систем является возможность получения большого количества тепловой энергии при относительно низких затратах. Однако скважины требуют обслуживания. Кроме этого, использование таких систем возможно не во всех местностях. Главные требования к грунту и грунтовым водам таковы:

- достаточная водопроницаемость грунта, позволяющая пополняться запасам воды;

- хороший химический состав грунтовых вод (например, низкое содержание солей железа), позволяющий избежать проблем, связанных с образованием отложений на стенках труб и коррозией.

Замкнутые системы

Замкнутые системы подразделяются на системы с горизонтальными грунтовыми теплообменниками и вертикальными.

Горизонтальный грунтовой теплообменник размещается, как правило, рядом с домом на небольшой глубине, но ниже уровня промерзания грунта в зимнее время. Использование горизонтальных грунтовых теплообменников ограничено размерами имеющейся площадки.

В странах Западной и Центральной Европы горизонтальные грунтовые теплообменники обычно представляют собой отдельные трубы, диаметром около 25 мм, уложенные на постоянной глубине на площади в несколько сотен квадратных метров, размещенные относительно плотно и соединенные между собой последовательно или параллельно рис. 6.3 а, б. Для экономии площади участка были разработаны усовершенствованные типы теплообменников, например, теплообменники в форме спирали, расположенной горизонтально или вертикально рис. 8.3 д, е. Такая форма теплообменников распространена в США. С целью уменьшения капитальных затрат трубки располагаются как можно ближе к поверхности.

Рис. 6.3. Виды горизонтальных грунтовых теплообменников:

а - теплообменник из последовательно соединенных труб; б - теплообменник из параллельно соединенных труб; в - горизонтальный коллектор, уложенный в траншее; г - теплообменник в форме петли; д - теплообменник в форме спирали, расположенной горизонтально (так называемый «slinky» коллектор); е - теплообменник в форме спирали, расположенной вертикально

Если содержание воды в почве велико, показатели повышаются благодаря увеличению теплопроводности и хорошему контакту с трубками. Большая концентрация в почве гравия вызывает ухудшение характеристик.

Оптимальная глубина и шаг размещения трубок составляют соответственно 1,5 и 2 м. В некоторых случаях из-за взаимного влияния предел 2 м расширяется. Трубки можно размещать на меньшей глубине, но при этом производительность теплового насоса может снижаться на 5% на каждый градус понижения температуры испарителя.

Если система с горизонтальными теплообменниками используется только для получения теплоты, ее нормальное функционирование возможно только при условии достаточных теплопоступлений с поверхности земли за счет солнечной радиации. По этой причине поверхность выше теплообменников должна быть подвержена воздействию солнечных лучей

Вертикальные грунтовые теплообменники позволяют использовать низкопотенциальную тепловую энергию грунтового массива, лежащего ниже «нейтральной зоны» 10 - 20 м от уровня земли. Системы с вертикальными грунтовыми теплообменниками не требуют участков большой площади и не зависят от интенсивности солнечной радиации, падающей на поверхность. Вертикальные грунтовые теплообменники эффективно работают практически во всех видах геологических сред, за исключением грунтов с низкой теплопроводностью, например, сухого песка или сухого гравия. Грунтовые теплообменники в вертикальных скважинах в последние 10 - 15 лет широко применяются в качестве низкотемпературного источника тепла для систем отопления и горячего водоснабжения с использованием тепловых насосов. Этот экологически чистый источник теплоты достаточно часто используется, например, в Швейцарии, где в настоящее время эксплуатируется около четырех тысяч таких установок.

Вертикальные скважины занимают меньшую площадь по сравнению с горизонтальными грунтовыми теплообменниками и позволяют кроме радиогенной теплоты использовать и теплоту, аккумулированную в грунте в летние месяцы, что дает им экономические преимущества. Исследования вертикальных U-образных трубок показали возможность значительного извлечения тепла. Если горизонтальный грунтовый теплообменник с площади 150 - 200 м² позволяет получить до 12 кВт тепловой энергии, то U-образные трубки, размещенные в скважинах диаметром 127 мм и глубиной 8 м, позволили получить по информации /22/ те же 12 кВт только из двух скважин. Таким образом, U-образные трубки снижают требуемую площадь поверхности грунта в 10 - 20 раз по сравнению с горизонтальными. Для оценочных расчетов можно использовать следующее соотношение – один погонный метр вертикальной скважины позволяет получить 50 - 60 Вт тепловой энергии

Исследования по использованию грунта как источника теплоты, проведённые в Европе, показали, что тепловой поток к трубам теплообменника из грунта составляет в среднем 20 - 25 Вт/м, минимальное значение для Европы составляет 10 Вт/м, максимальное 50 - 60 Вт/м /22/.

Системы с вертикальными грунтовыми теплообменниками могут использоваться для тепло- и холодоснабжения зданий различных размеров. Для небольшого здания достаточно одного теплообменника, в зависимости от региона; для больших зданий может потребоваться устройство целой группы скважин с вертикальными теплообменниками. Самое большое в мире число скважин используется в системе тепло- и холодоснабжения «Richard Stockton College» в США в штате Нью-Джерси. Вертикальные грунтовые теплообменники этого колледжа располагаются в 400 скважинах глубиной 130 м. В Европе наибольшее число скважин 154 скважины глубиной 70 м используются в системе тепло- и холодоснабжения центрального офиса Германской службы управления воздушным движением («Deutsche Flug-sicherung»).

Схема отопления и горячего водоснабжения одноквартирного жилого дома посредством теплонасосной установки с вертикальным грунтовым теплообменником приведена на рис. 6.4.

Теплоноситель циркулирует по трубам (чаще всего полиэтиленовым или полипропиленовым), уложенным в вертикальных скважинах глубиной от 50 до 200 м. Обычно используется два типа вертикальных грунтовых теплообменников рис. 6.5:

- U-образный теплообменник, представляющий собой две параллельные трубы, соединенные в нижней части. В одной скважине располагаются одна или две (реже три) пары таких труб. Преимуществом такой схемы является относительно низкая стоимость изготовления. Двойные U-образные теплообменники – наиболее широко используемый в Европе тип вертикальных грунтовых теплообменников;

- коаксиальный (концентрический) теплообменник. Простейший коаксиальный теплообменник представляет собой две трубы различного диаметра. Труба меньшего диаметра располагается внутри другой трубы. Коаксиальные теплообменники могут быть и более сложных конфигураций.

Рис. 6.4. Схема отопления и горячего водоснабжения одноквартирного жилого дома посредством теплонасосной установки с вертикальным грунтовым теплообменником

Рис. 6.5. Сечение различных типов вертикальных грунтовых теплообменников /12/

Для увеличения эффективности теплообменников пространство между стенками скважины и трубами заполняется специальными теплопроводящими материалами.

Помимо варианта испарения в грунтовых теплообменниках непосредственно хладагента можно использовать промежуточный теплоноситель - рассол, циркулирующий по трубкам в грунте и отдающий теплоту хладагенту в специальном теплообменнике. Средняя температура рассола зимой составляет минус 3 ⁰С.

Если содержание воды в почве велико, показатели повышаются благодаря увеличению теплопроводности и хорошему контакту с трубками. Большая концентрация в почве гравия вызывает ухудшение характеристик.

Частным случаем вертикальных замкнутых систем является использование в качестве грунтовых теплообменников строительных конструкций, например фундаментных свай с замоноличенными трубопроводами. Сечение такой сваи с тремя контурами грунтового теплообменника приведено на рис. 6.6.

Рис. 6.6. Схема грунтовых теплообменников, замоноличенных в фундаментные сваи здания, и поперечное сечение такой сваи

Рис. 6.7. Схема скважины типа «standing column well»

Грунтовой массив (в случае вертикальных грунтовых теплообменников) и строительные конструкции с грунтовыми теплообменниками могут использоваться не только как источник, но и как естественный аккумулятор тепловой энергии или «холода», например теплоты солнечной радиации.

Иногда к системам, использующим теплоту земли, относят и системы использования низкопотенциальной теплоты открытых водоемов, естественных и искусственных. Такой подход принят, в частности, в США. Системы, использующие низкопотенциальную теплоту водоемов, относятся к открытым, как и системы, использующие низкопотенциальную теплоту грунтовых вод рис. 6.7.

Обычно скважины используются и для снабжения здания питьевой водой. Однако, такая система может работать эффективно только в грунтах, которые обеспечивают постоянную подпитку скважины водой, что предотвращает ее замерзание.

Величина коэффициента преобразования зависит от температуры высокопотенциального источника, а в итоге от принятой системы отопления. Значения коэффициента СОР (), типичные для тепловых насосов класса «вода - вода» для различных типов систем табл. 6.1.

Таблица 6.1. Значения коэффициента СОР ()

Тип отопительной системы и значения подающейся и отводимой температурные воды, 0C	СОР*
Системы традиционных радиаторов (60/50 0C )	2,5
Системы на основе излучающих полов (35/30 0C )	4,0
Вентиляционно-конвекторные системы (45/35 0C )	3,5
Тип отопительной системы и значения подающейся и отводимой температурные воды, 0C	СОР*
В случаях, когда температура воды, приходящей на испаритель, составляет 5 0C

Данные таблицы показывают, что наиболее эффективными при использовании тепловых насосов являются низкотемпературные системы отопления.

Преимущества геотермальных тепловых насосов

На сегодняшний день геотермальный тепловой насос (Geothermal Heat Pump или GHP система) является наиболее эффективной энергосберегающей системой отопления и кондиционирования. GHP системы устанавливаются в общественных зданиях, частных домах и на промышленных объектах. Они устанавливаются в новых зданиях или заменяют устаревшее оборудование с сохранением или незначительной модификацией прежней отопительной системы. Геотермальный тепловой насос был установлен даже в широко известном небоскребе Нью-Йорка The Empire State Building.

К настоящему времени масштабы внедрения геотермальных тепловых насосов в мире довольно значительны:

В США ежегодно производится около 1 млн. геотермальных тепловых насосов. При строительстве новых общественных зданий используются исключительно геотермальные тепловые насосы. Эта норма была закреплена Федеральным законодательством США.

В Швеции 50% всего отопления обеспечивают геотермальные тепловые насосы. В Стокгольме 12% всего отопления города обеспечивается геотермальными тепловыми насосами общей мощностью 320 МВт, использующими как источник теплоты Балтийское море с температурой + 8 ⁰С.

В Германии предусмотрена дотация государства на установку тепловых насосов в размере 400 марок за каждый кВт установленной мощности.

Такой рост объемов связан с рядом достоинств GHP систем:

- Экономичность. Низкое энергопотребление достигается за счет высокого КПД GHP системы от 300% до 700% и позволяет получить на 1 кВт затраченной энергии 3 - 7 кВт тепловой энергии или 15 - 25 кВт мощности по охлаждению на выходе. Система исключительно долговечна и прослужит от 25 до 50 лет без особого внимания к себе.

- Комфорт. GHP система работает устойчиво, колебания температуры и влажности в помещении минимальны. Отсутствует шум. Применяется мультизональный климатический контроль.

- Дизайн. Установка GHP не нарушает целостность интерьера и концепцию фасада здания, т.к. нет внутреннего и внешнего блока, и занимает минимум пространства.

- Экология. Экологически чистый метод отопления и кондиционирования, т.к. не производится эмиссия CO₂, NO_x и других выбросов, приводящих к нарушению озонового слоя и кислотным дождям.

- Безопасность. Нет сжигаемого топлива и не используются запрещенные хладагенты.

Устойчивость систем использования низкопотенциального тепла земли.

При эксплуатации грунтового теплообменника может возникнуть ситуация, когда за время отопительного сезона температура грунта вблизи грунтового теплообменника понижается, а в летний период грунт не успевает прогреться до начальной температуры – происходит понижение его температурного потенциала. Потребление энергии в течение следующего отопительного сезона вызывает еще большее понижение температуры грунта, и его температурный потенциал еще больше снижается. Это заставляет при проектировании систем использования низкопотенциального тепла земли рассматривать проблему «устойчивости» таких систем.

Проведенные в ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ» исследования показали, что потребление тепловой энергии из грунтового массива к концу отопительного сезона вызывает вблизи регистра труб системы теплосбора понижение температуры грунта, которое в почвенно-климатических условиях большей части территории России не успевает компенсироваться в летний период года, и к началу следующего отопительного сезона грунт выходит с пониженным температурным потенциалом. Потребление тепловой энергии в течение следующего отопительного сезона вызывает дальнейшее снижение температуры грунта, и к началу третьего отопительного сезона его температурный потенциал еще больше отличается от естественного. И так далее.

Однако, огибающие теплового влияния многолетней эксплуатации системы теплосбора на естественный температурный режим грунта имеют ярко выраженный экспоненциальный характер, и к пятому году эксплуатации грунт выходит на новый режим, близкий к периодическому, то есть, начиная с пятого года эксплуатации, многолетнее потребление тепловой энергии из грунтового массива системы теплосбора сопровождается периодическими изменениями его температуры.

Таким образом, при проектировании теплонасосных систем теплоснабжения (ТСТ) представляется необходимым учет падения температур грунтового массива, вызванного многолетней эксплуатацией системы теплосбора, и использование в качестве расчетных параметров температур грунтового массива, ожидаемых на 5-й год эксплуатации ТСТ.

В комбинированных системах, используемых как для тепло-, так и для холодоснабжения, тепловой баланс устанавливается «автоматически»: в зимнее время (требуется теплоснабжение) происходит охлаждение грунтового массива, в летнее время (требуется холодоснабжение) - нагрев грунтового массива. В системах, использующих низкопотенциальное тепло грунтовых вод, происходит постоянное пополнение водных запасов за счет воды, просачивающейся с поверхности, и воды, поступающей из более глубоких слоев грунта. Таким образом, теплосодержание грунтовых вод увеличивается как «сверху» (за счет тепла атмосферного воздуха), так и «снизу» (за счет теплоты земли); величина теплопоступлений «сверху» и «снизу» зависит от толщины и глубины залегания водоносного слоя. За счет этих теплопоступлений температура грунтовых вод остается постоянной в течение всего сезона и мало меняется в процессе эксплуатации.

В системах с вертикальными грунтовыми теплообменниками ситуация иная. При отводе теплоты температура грунта вокруг грунтового теплообменника понижается. На понижение температуры влияют как особенности конструкции теплообменника, так и режим его эксплуатации. Например, в системах с высокими величинами отводимой тепловой энергии (несколько десятков ватт на метр длины теплообменника) или в системах с грунтовым теплообменником, расположенным в грунте с низкой теплопроводностью (например, в сухом песке или сухом гравии) понижение температуры будет особенно заметным и может привести к замораживанию грунтового массива вокруг грунтового теплообменника.

Немецкие специалисты провели исследования по измерению температуры грунтового массива, в котором устроен вертикальный грунтовой теплообменник глубиной 50 м, расположенный недалеко от Франкфурта-на-Майне. Для этого вокруг основной скважины на расстоянии 2,5, 5 и 10 м от было пробурено 9 скважин той же глубины. Во всех десяти скважинах через каждые 2 м устанавливались датчики для измерения температуры – всего 240 датчиков.

Отмечено, что в конце отопительного сезона хорошо заметно уменьшение температуры грунтового массива вокруг теплообменника. Возникает тепловой поток, направленный к теплообменнику из окружающего грунтового массива, который частично компенсирует снижение температуры грунта, вызванное «отбором» теплоты. Величина этого потока по сравнению с величиной потока тепла из земных недр в данной местности (80 – 100 мВт/м²) оценивается достаточно высоко (несколько ватт на квадратный метр).

Поскольку относительно широкое распространение вертикальные теплообменники стали получать примерно 15 - 20 лет назад, во всем мире ощущается недостаток экспериментальных данных, полученных при длительных (несколько десятков лет) сроках эксплуатации систем с теплообменниками такого типа.

С 1986 года в Швейцарии, недалеко от Цюриха, проводились исследования системы с вертикальными грунтовыми теплообменниками /45/. В грунтовом массиве был устроен вертикальный грунтовой теплообменник коаксиального типа глубиной 105 м. Этот теплообменник использовался в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии для теплонасосной системы, установленной в одноквартирном жилом доме. Вертикальный грунтовой теплообменник обеспечивал пиковую мощность примерно 70 Вт на каждый метр длины, что создавало значительную тепловую нагрузку на окружающий грунтовой массив. Годовое производство тепловой энергии составляет около 13 МВт•ч.

Осенью 1996 года, через десять лет после начала эксплуатации системы, измерения были возобновлены. Эти измерения показали, что температура грунта существенным образом не изменилась. В последующие годы были зафиксированы незначительные колебания температуры грунта в пределах 0,5 ⁰C в зависимости от ежегодной отопительной нагрузки. Таким образом, система вышла на квазистационарный режим после первых нескольких лет эксплуатации.

На основании экспериментальных данных были построены математические модели процессов, проходящих в грунтовом массиве, что позволило сделать долгосрочный прогноз изменения температуры грунтового массива.

Математическое моделирование показало, что ежегодное понижение температуры будет постепенно уменьшаться, а объем грунтового массива вокруг теплообменника, подверженного понижению температуры, с каждым годом будет увеличиваться.

По окончании периода эксплуатации начинается процесс регенерации: температура грунта начинает повышаться. Характер протекания процесса регенерации подобен характеру процесса "отбора" тепла: в первые годы эксплуатации происходит резкое повышение температуры грунта, а в последующие годы скорость повышения температуры уменьшается. Продолжительность периода "регенерации" зависит от продолжительности периода эксплуатации. Эти два периода примерно одинаковы. В рассматриваемом случае период эксплуатации грунтового теплообменника равнялся тридцати годам, и период "регенерации" также оценивается в тридцать лет.

Таким образом, системы тепло- и холодоснабжения зданий, использующие низкопотенциальное тепло земли, представляют собой надежный источник энергии, который может быть использован повсеместно. Этот источник может использоваться в течение достаточно длительного времени и может быть возобновлен по окончании периода эксплуатации.

Расчет земляного коллектора.

Расчет земляного коллектора для тепловых насосов «грунт - вода». Отбор тепла из грунта осуществляется горизонтальными коллекторами или вертикальными зондами рис. 6.8.

Тепло из грунта отбирается горизонтальным геотермальным контуром, который переносит, а затем отдает его рабочей среде в тепловом насосе. Под источником тепла, применительно к грунту, понимается верхний слой почвы глубиной до 1,2 - 3,5 м.

Поступающее из глубинных слоев вверх тепло составляет лишь 0,063 - 0,1 Вт/м².

Рис. 6.8. Горизонтальный коллектор и зонд для теплосъема с грунта

Количество полезного тепла, размеры необходимой площади зависят от теплофизических свойств этого грунта и от энергии инсоляции, т. е. от климатических условий.

Такие термические характеристики верхнего слоя грунта, как объемная теплоемкость и теплопроводность, очень сильно зависят

от состава и состояния грунта. Аккумулирующие свойства и теплопроводность грунта тем выше, чем больше содержание в нем воды, чем больше доля минеральных компонентов и чем меньше количество пор.

Удельный отбор мощности для грунта при этом составляет от 10 до 35 Вт/м².

Этими показателями определяется площадь грунта в зависимости от теплопотребления здания и состояния почвы.

Теплосъем почвы в зависимости от состояния грунта:

Сухая песчаная почва q = 10 - 15 Вт/м²;

Влажная песчаная почва q = 15 - 20 Вт/м²;

Сухая глинистая почва q = 20 - 25 Вт/м²;

Влажная глинистая почва q = 25 - 30 Вт/м²;

Почва с грунтовыми водами q = 30 - 35 Вт/м².

Необходимая площадь грунта определяется в зависимости от холодопроизводительности теплового насоса:

Q_х = Q_тн – N,

где Q_х – холодопроизводительность теплового насоса, кВт;

Q_тн - тепловая нагрузка теплового насоса, кВт;

N - потребляемая мощность, кВт.

Тепловые насосы имеют показатели температур B0/W5. B0 - входная температура рассола, ⁰C,W - выходная температура теплоносителя, ⁰C и холодопроизводительность, кВт. При удельном отборе мощности q, Вт/м² грунта определяется необходимая площадь для геоконтура составляет, м²:

F =

Для отбора тепла с данной площади грунта требуется прокладка нескольких петель полиэтиленовых труб, заполненных специальной жидкостью (рассолом).

Для расчета длины контура необходимо также учитывать шаг укладки и диаметр трубы.

полиэтиленовой трубы20×2,0: прибл. 0,33 м (l = 3 п.м трубы/м²);

полиэтиленовой трубы 25×2,3: прибл. 0,50 м (l = 2 п.м трубы/м²);

для полиэтиленовой трубы 32×2,9: прибл. 0,70 м (l = 1,5 п.м трубы/м²).

Длина траншеи, м:

L = F l,

где L – длина траншеи, п.м.; l - п.м трубы/м²

Определение числа веток коллектора из труб разного диаметра:

n = ,

где 100 – длина ветки коллектора, м.

Геотермальный контур может быть выполнен трубами различного диаметра, в зависимости от теплосъема грунта. Чем больше диаметр, тем меньше метраж траншеи.

Так компания SunDue разработала и запатентовала способ укладки геотермального контура «Многоэтажка». Он позволяет снять 75 ватт с погонного метра траншеи, и еще больше сэкономить на земляных работах, а также позволяет уменьшить площадь дорогостоящего земельного участка, выделяемую под геоконтур.

В качестве рассола используется пропиленгликоль. Количество теплоносителя в трубопроводе таблица 6.2.

Определение объема теплоносителя циркулирующего по контуру:

V_р = F g

Таблица 6.2. Количество теплоносителя в трубопроводе

Диаметр, мм	Теплоноситель g, л	Диаметр, мм	Теплоноситель g, л
20х2,0	0.201	50х2,9	1,595
25х2,3	0,327	50х4,46	1,308
32х3,0	0,531	63х5,8	2,070
40х2,3	0,984	63х3,6	2,445
40х3,7	0,835

Земляной зонд – двойной U-образный трубчатый зонд. Для небольших земельных участков, а также при дооснащении существующих зданий, земляные зонды являются альтернативой горизонтальному коллектору.

Другим вариантом являются две двойных U-образных петли полимерного трубопровода в одной скважине. Все промежутки между трубами и грунтом заполняются материалом с хорошей теплопроводностью - бетонитом рис.6.9.

Рис. 6.9. U-образный геозонд

RL - Обратная магистраль рассольного контура; VL - Подающая

магистраль рассольного контура; A - Бетонит-цементная суспензия;

B Защитный колпачок

Охлажденный теплоноситель (рассол) перетекает к нижней точке, а затем обратно - к испарителю теплового насоса. При этом он отбирает тепло. Удельный тепловой поток в значительной степени непостоянен и составляет от 20 до 100 Вт/м длины зонда. Если исходить из среднего значения 50 Вт/с - это означает, что, например, для теплового насоса холодопроизводительностью 10 кВт требуется зонд длиной 200 м или четыре зонда по 50 м.

Расстояние между 2 земляными зондами должно составлять:

- при глубине до 50 м минимум 5 м

- при глубине до 100 м минимум 6 м

Возможный удельный отбор мощности для земляных зондов (двойных U-образных трубчатых зондов) с погонного метра таблица 6.3.

Таблица 6.3. Удельный отбор мощности для земляных зондов

Грунт	удельный отбор мощности, Вт/м
Плохой грунт (сухая осадочная порода) λ < 1,5 Вт/(м · K)	20
Нормальная твердая каменная порода и насыщенная водой осадочная порода λ < 1,5‐3,0 Вт/(м · K)	50
Твердая каменная порода с высокой Теплопроводностью λ > 3,0 Вт/(м · K)	70
Галька, сухой песок	< 20
Галька, влажный песок	55-65
Влажная глина, суглинок	30-40
Известняк (массивный)	45-60
Песчаник	55-65
Кислые магматические породы (например, гранит)	55-70
Основные магматические породы (например, базальт	35-55
Гнейс	60-70

Расчет источников тепла для тепловых насосов «вода-вода».

Грунтовые воды. Тепловые насосы «вода – вода» используют тепло, содержащееся в грунтовых водах. Тепловой насос «вода-вода» рис.6.10.

Тепловые насосы на грунтовых водах позволяют дать высокие показатели мощности. Грунтовые воды в течение всего года имеют постоянную температуру от 7 до 12 ⁰C (для Европы). Поэтому, по сравнению с другими источниками тепла, требуется сравнительно небольшое повышение температуры, чтобы иметь возможность использовать воды для отопления.

Рис. 6.10. Тепловой насос «вода-вода»

A - тепловой насос; B - поглощающая скважина;

C - добывающая скважина; D - напорная труба; E - нагнетательная труба; F - обратный клапан;. G - погружной насос;. H - направление потока грунтовых вод; K - колодезная скважина; L - насос промежуточного

контура; M - теплообменник промежуточного контура

Рекомендуется между отбором добывающей скважиной и возвратом воды в грунт поглощающей скважиной соблюдать расстояние не менее 5м. Добывающая и поглощающая скважины должны быть ориентированы в направлении потока грунтовых вод, чтобы исключить "замыкание" потоков. Поглощающая скважина должна быть выполнена таким образом, чтобы выход воды происходил ниже уровня грунтовых вод.

Посредством нагнетательного насоса грунтовые воды подаются к испарителю теплового насоса. Там они отдают свое тепло рабочей среде или хладагенту, который при этом испаряется. Грунтовые воды в зависимости от конструкции установки охлаждаются до разности температур 5K, в остальном же их качество остается неизменным. В завершение вода возвращается в подземные грунтовые воды через поглощающую скважину.

Для приближенного расчета можно использовать следующую схему. Теплообменник промежуточного контура теплового насоса на рис.6. 11.

Рис. 6.11. Теплообменник промежуточного контура

A – вода; B - рассол (антифриз)

Понижение 1 м³ воды на один градус дает 1 кВт тепла. Если на входе в тепловой насос имеем 10 градусов, а на выходе 6 ⁰С, то с 1 м³ воды получаем 4 кВт тепла.

Насос 10 кВт =2,5 м³. Для полноценной работы насоса такой мощности необходим дебет скважины 2,5 м³ воды в час.

Расчет горизонтального коллектора теплового насоса

Съем тепла с каждого метра трубы зависит от многих параметров: глубины укладки, наличия грунтовых вод, качества грунта и т.д. Ориентировочно можно считать, что для горизонтальных коллекторов он составляет 20 Вт/м. Более точно: сухой песок – 10, сухая глина – 20, влажная глина – 25, глина с большим содержанием воды – 35 Вт/м².

Разницу температуры теплоносителя в прямой и обратной линии петли при расчетах принимают обычно равной 3 °С. На участке над коллектором, не следует возводить строений, чтобы тепло земли пополнялось за счет солнечной радиации.

Минимальное расстояние между проложенными трубами должно быть 0,7 – 0,8 м. Длина одной траншеи составляет обычно от 30 до 120 м. В качестве теплоносителя первичного контура рекомендуется использовать 25% раствор гликоля. Теплоемкость раствора при температуре 0 °С составляет 3,7 кДж/(кг·К), плотность – 1,05 г/см³. При использовании антифриза потери давления в трубах в 1,5 раза больше, чем при циркуляции воды. Для расчета параметров первичного контура теплонасосной установки потребуется определить расход антифриза:

V_s =

Последняя величина рассчитывается как разница полной мощности теплового насоса Q_wp и электрической мощности, затрачиваемой на нагрев фреона P, кВт:

Q_o = Q_wp – P,

Суммарная длина труб коллектора L и общая площадь участка под него F рассчитываются по формулам:

L = ,

F = L d_а,

где q – удельный теплосъем, Вт/м; d_a – расстояние между трубами, шаг укладки.