project_JUNKERS

Геотермические тепловые насосы

TM 60-1...110-1 / TE 60-1...170-1

для отопления и приготовления горячей расходной воды

Для специалистов

1.4Коэффициент мощности, COP, коэффициент

2Система геотермических тепловых

2.2.12Электропатрондополнительногонагрева...........24

2.2.14Бойлер из специальной стали с греющей

2.7Коллектор отработавшего воздуха

3Планирование и определение

3.2Вычисление отопительной нагрузки здания

3.2.4Дополнительная мощность для периодов планового отключения подачи электроэнергии

3.4.7Расчёт параметров мембранного компенса-

3.4.8Расчёт параметров резервуара-уловителя

3.5Примеры планирования (выбор гидравлики

4Вентиляция и охлаждение

4.3.1Подключение охлаждающего

4.3.2Подключение коллектора отработавшего

5.4Процедура получения разрешительных

5.6«Положение об энергосберегающих приборах

5.7Возможности материального стимули-

1Основы

1.1Введение

За последние годы количество новых инсталлированных тепловых насосов (ТН) с электрическим приводом возрастало весьма и весьма динамично. Так, статистика Федерального объединения специалистов по тепловым насосам (BWP) отмечает удвоение числа новых теплонасосных установок (ТНУ) с 1999 года до 9750 штук в 2003 году.

С одной стороны, это обусловлено тем, что ТН особенно хорошо выполняет требования законодательства по энергосберегающей технике, и, с другой стороны, тем, что с точки зрения комфорта и эксплуатационных расходов ТН обладает существенными преимуществами в сравнении с обычными системами отопления.

1.2Энергетическая политика – Типовые условия

Всуммарном энергопотреблении для жилых домов доля тепловой энергии играет решающую роль: 86 % потребности в энергии частных домашних хозяйств приходится на отопление и приготовление горячей расходной воды (Рис. 1) и покрывается большей частью за счёт газа и нефти. Так как наличие этих ископаемых энергоносителей ограничено во времени, то требуются альтернативные источники энергии. В этой связи регенеративные, или возобновляемые энергии – в частности ТН – сыграют в будущем важнейшую роль. И особенно потому, что в наших широтах для них совпадают предложение и спрос, что лишь с большими оговорками можно сказать об использовании солнечной энергии.

Рис. 1

Начиная с 1977 года, законодательство уже определяло граничные параметры в разнообразных предписаниях по теплозащите, и, в конечном итоге, с принятием действующего с 01.02.2002 «Положения об обеспечении энергосберегающей тепловой защиты и применении энергосберегающих приборов и оборудования в зданиях» (EnEV) создало единый свод правил, ограничивающий годовой расход первичной энергии на отопление и горячее водоснабжение (ГВС) – в зависимости от типа здания

– от 80 до 140 кВт на 1 м2 обогреваемой полезной площади.

Для сопоставления следует отметить, что годовой расход первичной энергии на отопление и ГВС в имеющемся жилищном фонде составляет от 600 кВт-час/(м2 • a) в зданиях, требующих особого санирования, и 15 кВт-час/(м2 • a) – в так называемых «пассивных» домах (без систем отопления и кондиционирования).

Жилой фонд Положение о теплозащите 1995 г. Энергосберегающий дом

7 181 465 272-02.1O

Рис. 2

1.3Принцип функционирования

Назначение теплового насоса

Точно так же, как вода не течёт вверх, тепло всегда перетекает только от горячего (источник тепла) к холодному (приёмник тепла). Таким образом, чтобы использовать для отопления и ГВС низкопотенциальное тепло из окружающей среды, т.е. из грунта, воздуха или из грунтовых вод, необходимо это тепло «перекачать» на более высокий уровень.

Контур хладагента позволяет «качать» тепло на более высокий температурный уровень

Сердцем ТН является циркуляционный контур хладагента, работающий с помощью компрессора. По принципу конструкции он идентичен контуру хладагента холодильников, испытанных временем и практикой использования, и поэтому также сопоставим с ними по показателю высокой надёжности. Лишь выполняемая задача у него полностью противоположна, а именно: внутри холодильника тепло отбирается у охлаждаемых продуктов и отдаётся с тыльной стороны аппарата в помещение, а ТН отбирает тепло из окружающей среды (воды, земли, воздуха) и передаёт его в отопительную систему.

Принцип функционирования (Рис. 3)

Взакрытом контуре происходит поочерёдное испарение, сжатие, конденсация (сжижение) и расширение рабочего вещества – хладагента, закипающего уже при невысокой температуре.

•Испаритель 1

Виспарителе находится жидкий хладагент низкого давления. Его температура ниже, чем температура источника тепла. Поэтому тепло от источника тепла передаётся хладагенту, что приводит к испарению хладагента.

•Компрессор 2

Газообразный хладагент сжимается в компрессоре до высокого давления и при этом настолько сильно нагревается, что температура хладагента после компрессии становится выше температуры, необходимой для отопления и ГВС. Кроме того, энергия привода компрессора тоже преобразуется в тепло и «перетекает» к хладагенту.

• Конденсатор 3

Очень горячий хладагент высокого давления отдаёт в конденсаторе всё своё тепло, то есть тепло, полученное от источника тепла, а также тепло энергии привода компрессора в систему отопления (перепад тепловых потенциалов). При этом хладагент сильно охлаждается и снова становится жидким.

• Расширительный клапан 4

Затем хладагент проходит через расширитель-

ный клапан и снова возвращается в испаритель. В расширительномклапанепроисходитдекомпрессия до первоначального давления. Цикл завершился.

Принципиальная схема для хладагента R407c

Подвод тепла от источника тепла, например, из грунта

75%

1.4Коэффициент мощности, COP, коэффициент эффективности

Соотношение между полезной тепловой мощностью, расходуемой на нагрев, и использованной мощностью электропривода компрессора называют

коэффициентом мощности и обозначают литерой

ε (эпсилон). В качестве приблизительного значения для современных аппаратов можно принять такой коэффициент мощности ε:

T: абсолютная температура приёмника тепла [K] T0: абсолютная температура источника тепла [K]

Коэффициент мощности, достигаемый ТН, зависит от разницы температур между источником и приёмником тепла.

Пример:

Определить значение коэффициента мощности ТН для системы отопления пола с температурой в прямом трубопроводе 35 ˚C и для радиаторного отопления с температурой 50 ˚C при температуре источника тепла 0 ˚C.

1 Система отопления пола:

T = 35 ºC = (273 + 35) K = 308 K

T0 = 0 ºC = (273 + 0) K = 273 K

ΔT = T – T0 = (308 – 273) K = 35 K

Отсюда получаем:

2 Радиаторное отопление:

T = 50 ºC = (273 + 50) K = 323 K

T0 = 0 ºC = (273 + 0) K = 273 K

ΔT = T – T0 = (323 – 273) K = 50 K

Отсюда получаем:

Рис. 4

В данном примере система отопления пола достигает коэффициента мощности на 36 % выше, чем радиаторное отопление.

Эмпирическое соотношение: на 1 ºC меньше поднятие температуры = на 2,5 % выше коэффициент мощности !

Коэффициент мощности ε (эпсилон) является измеренным или рассчитанным индексом для оценки работы ТН в специально оговоренных эксплуатационных условиях – подобно нормированному расходу топлива в автомобилях. Он отображает соотношение между полезной тепловой мощностью, расходуемой на нагрев, и использованной электрической мощностью привода компрессора, и называ-

ется также коэффициентом преобразования COP

(= англ.: Coefficient Of Performance).

PН: используемая «греющая» мощность [кВт] Pel: потребляемая электрическая мощность [кВт]

Чтобы предоставить возможность для ориентировочного сопоставления различных ТН, Стандарт DIN EN 255 оговаривает такие условия, как вид и эталонная температура источника тепла, для которых рассчитываются коэффициенты преобразования. Кроме того, при указании значений COP согласно с DIN 255 учитывается мощность привода вспомогательных агрегатов.

Рассольно-водяные ТН

B0/W35 B0/W50 B5/W50

Водо-водяные ТН

W10/W35 W10/W50 W15/W50

Воздушно-водяные ТН

A7/W35 A7/W50 A15/W50

Табл. 1

Первая группа символов характеризует источник тепла, а вторая – выход из ТН. При этом литера «B» означает «Рассол» (англ.: Brine), литера «W»

– «Вода», литера «A» – «Воздух» (англ.: Air). Цифры указывают на соответствующие температуры в ºC.

Пример:

A7/W35 описывает рабочую точку воздушноводяного ТН с температурой теплоносителя 7 ºC и температурой 35 ºC на выходе из ТН (прямой трубопровод отопления).

При указании коэффициента мощности по EN 255, наряду с потребляемой мощностью компрессора учитывается также и долевая часть мощности рассольного насоса и водяного насоса или – для воздушно-водяных ТН – долевая часть мощности вентилятора. Кроме того, разграничиваются аппараты с встроенными насосами и аппараты без встроенных насосов, что приводит на практике к существенно различающимся показателям.

Прямое сравнение возможно только для аппаратов одинакового типа!

Для тепловых насосов JUNKERS коэффициент преобразования COP задаётся, с одной стороны, в соотнесении с контуром хладагента (без долевой части мощности насосов) и, дополнительно, по Европейской Норме EN 255 (методика расчёта при встроенных насосах).

Коэффициент эффективности, годовой коэффициент эффективности, годовой коэффициент затратности

В качестве дополнения к коэффициенту мощности, представляющему лишь моментальную «фотографию» для специально оговоренных условий, коэффициент эффективности, указываемый, как правило, в виде годового коэффициента эффектив-

ности (англ.: seasonal performance factor), отображает соотношение между полезным теплом, отдаваемым всей теплонасосной установкой в течение одного года, и суммарной выполненной электрической работой ТНУ за этот год:

В соответствии с DIN V 4701-10 для ТН необходимо также применять принятую на сегодняшний день методику энергетической оценки различных технологий – так называемые коэффициенты затратности. Они отражают расход невозобновляемой энергии для выполнения определённой задачи. Для ТН годовой коэффициент затратности eg является простой обратной величиной годового коэффициен-

eg: коэффициент затратности ТН

Qwp: количество теплоты, отдаваемое теплонасосной установкой в течение одного года [кВт-час]

Wel: количество электрической энергии, потреблённое ТНУ в течение одного года [кВт-час]

На основе Директивы 4650 Союза Немецких Инженеров (VDI) создана методика, с помощью которой можно пересчитать коэффициенты мощности, получаемые в результате стендовых испытаний с учётом различных эксплуатационных параметров

– на годовой коэффициент эффективности для случаев практического применения с их конкретными условиями.

В настоящее время есть также специальное программное обеспечение для компьютеров, которое путём имитационных расчётов может предоставить очень точные результаты.

1.5Режимы эксплуатации тепловых насосов

ТН для отопления помещений – в зависимости от типовых условий – могут эксплуатироваться самыми разнообразными способами. Выбор того или иного режима работы должен ориентироваться, прежде всего, на уже имеющиеся в здании или планируемые системы отдачи тепла и на выбранный источник тепла.

1.5.1Моновалентный режим

О моновалентном режиме эксплуатации речь идёт тогда, когда ТН покрывает всю потребность в тепле для отопления и ГВС. Оптимальными для этого являются такие источники тепла, как грунт и грунтовые воды, так как эти источники тепла почти независимы от наружной температуры и поставляют вполне достаточно тепла даже при низких температурах.

1.5.2Бивалентный режим

Вбивалентном режиме, наряду с ТН всегда применяется второй теплогенератор, чаще всего – уже имеющийся жидкотопливный котёл.

Впрошломдляодно-идвухсемейныхдомовэтот вид эксплуатации имел огромное значение, прежде всего – в сочетании с воздушно-водяным ТН. При этом основное теплоснабжение выполнялось ТН, а, начиная с наружной температуры, например, ниже 0°C, к работе подключался жидкотопливный котёл. Из экономических соображений – поскольку всегда требуется два теплогенератора – такие системы сейчас не получают широкого распространения и реализуются лишь в отдельных редких случаях.

1.5.3Моноэнергетический режим

При моноэнергетической эксплуатации энергетические пики перекрываются с помощью дополнительно встроенного термоэлектрического нагревателя. В идеальном варианте этот дополнительный ТЭН в состоянии поддерживать как приготовление горячей расходной воды, так и отопление. При этом также возможно повышение температуры расходной воды для предотвращения образования бактерий (легионелл).

Моноэнергетический вид работы зарекомендовал себя как наиболее экономичная разновидность эксплуатации, поскольку можно задавать при проектировании ТН несколько меньшей мощности, а, значит, более приемлемый по цене и долговременнее работающий в оптимальном эксплуатационном диапазоне. При этом важным является точный расчёт, чтобы обеспечить как можно меньший расход электрического тока дополнительным ТЭНом.

1.6Источники тепла

Особый шарм ТН при сопоставлении с традиционными отопительными системами обнаруживается в том, что при освоении источника тепла становится полезным регенерируемое и, следовательно, долговременно безплатное тепло окружающей среды. Не важно, какой источник тепла будет использоваться

– одновременно с приобретением ТН происходит освоение источника тепла. То есть, осуществляется инвестиция в источник энергии, который будет использоваться и в будущем. Можно также сказать, что при этом покупается «зарезервированное тепло на отопление».

Пример

Сколько регенерируемой энергии предоставит грунтовой зонд в течение ближайших 20 лет для некоторого условного односемейного дома при годовой тепловой нагрузке 12000 кВт-час и коэффициенте затратности eg= 0,23?

А сколько дизтоплива мне пришлось бы для этого купить?

При:

Qges: суммарный расход тепла, требуемый на отопление [кВт-час]

Qerde: количество тепла, поставляемое грунтовым зондом [кВт-час]

Qel: количество тепла, производимое электрическим путём [кВт-час]

справедливо уравнение:

Qges = Qerde + Qel

При:

Qel = eg • Qges

следует, что:

Qges = Qerde + eg • Qges

Из уравнения находим Qerde:

Qerde = Qges – (eg • Qges)

= Qges • (1 – eg)

Тогда для одного года справедливо:

Qerde = 12000 кВт • (1 – eg)

=12000 кВт-час • (1 – 0,23)

=9240 кВт-час

для 20 лет:

Qerde 20 = 20 • Qerde

=20 • 9240 кВт-час

=184800 кВт-час

Это соответствует 18480 литрам дизтоплива.

Для разумного использования в качестве источника тепла подходят воздух, земля и вода. Решение вопроса о том, какой источник тепла будет оптимальным для того или иного объекта, зависит при этом от разнообразных факторов и всегда требует индивидуального подхода.

1.6.1Земля

Тепло из грунта можно получать по-разному. Специалисты подразделяют здесь источники тепла, использующие тепловую энергию приповерхностных слоёв грунта, и источники, использующие глубинное геотермическое тепло.

Приповерхностное тепло – это солнечное тепло, накапливаемое грунтом сезонно и используемое с помощью так называемых геотермических грунтовых коллекторов, которые укладываются горизонтально на глубине от 1,20 м до 1,50 м.

Геотермическое тепло стремится из глубины земных слоёв к поверхности и используется с помощью геотермических зондов. Зонды инсталлируются вертикально на глубину до 150 м. Обе системы характеризуются высокой и относительно стабильной температурой в течение всего года. Это обусловливает высокие к.п.д. во время эксплуатации ТН (высокий годовой коэффициент эффективности). Кроме того, эти системы работают в закрытых контурах, что обеспечивает высокую надёжность и минимальные затраты на обслуживание. В таком закрытом контуре циркулирует смесь воды и антифриза (этиленгликоля). Эту смесь называют также «рассолом».

Грунтовые коллекторы

Рис. 5

Преимущества:

•экономически выгодные затраты;

•высокие годовые коэффициенты эффективности теплового насоса.

Недостатки:

•важная роль точности укладывания, проблемы с образованием воздушных «мешков» в случае неквалифицированного укладывания;

•потребность в большой технологической площади;

•невозможность перестройки.

Отбор тепла из грунта производится с помощью пластиковых труб большой площади, уложенных параллельно поверхности земли, как правило, в виде нескольких контуров. При этом один контур по своей длине не должен превышать 100 м, так как иначе потребуется слишком высокая мощность качающего насоса. Отдельные контуры подключаются к распределителю, который должен находиться в самой высокой точке, чтобы обеспечить возможность развоздушивания системы трубопроводов.

Временное оледенение грунта не имеет никаких негативных последствий на функционирование ТНУ и на растительное покрытие технологической площади. По возможности необходимо следить за тем, чтобы на площади, занимаемой грунтовым коллектором, не располагались растения с глубокой корневой системой. Важно также, чтобы трубы укладывались в песчаной постели для предотвращения вероятных повреждений острыми камнями. Прежде чем выполнять засыпку коллектора, обязательно рекомендуется опрессовать систему трубопроводов. Лучше всего держать трубопровод под испытательным давлением также и во время засыпки. Тогда очень легко сразу заметить вероятные повреждения.

Выполнение требуемых перемещений грунта возможно без больших дополнительных затрат в особенности на новостройках.

Величина отбора тепловой мощности из грунта зависит от многих факторов, прежде всего – от влажности грунта. Особенно хороший практический опыт получен при работе с влажными суглинками. Менее пригодными являются песчаные грунты.

Табл. 2

Эмпирические данные при проектировании действительны только для установок с максимальным использованием 2000 целых часов эксплуатации в год; это же касается и данных, указанных в Таблице 4.

Табл. 3

Рис. 6

Преимущества:

•надёжность;

•незначительная потребность в занимаемой технологической площади;

•высокие годовые коэффициенты эффективности теплового насоса.

Недостатки:

•как правило, высокие инвестиционные затраты;

•инсталляция возможна не во всех регионах.

Грунтовые зонды получили за последние годы очень широкое распространение благодаря простоте обустройства и незначительной потребности в технологической площади

Такие зонды состоят, как правило, из пучка четырёх параллельных пластиковых труб, концы которых свариваются специальными фасонными деталями и образуют так называемую ножку зонда. При этом каждые две пластиковые трубы соединяются

Рис. 7 Грунтовой зонд с ножкой

При наличии хороших гидрогеологических условий можно реализовать высокую мощность отбора тепла. Предпосылкой для планирования и обустройства грунтовых зондов служит точная информация о характерных свойствах грунта и информация о внутригрунтовых процессах. В настоящее время уже есть целая сеть фирм, которые специализируются в области обустройства грунтовых зондов и, наряду с проектированием и инсталляцией зондов, предлагают также разрешительную документацию. Можно также обратиться за профессиональной консультацией к специалистам-геологам или в местный геологический департамент.

В качестве эмпирических данных для проектирования при макс. 2000 целых часов эксплуатации в год могут быть приняты такие значения:

Грунтовые воды

Рис. 8

Преимущества:

•экономически привлекательный источник тепла;

•незначительная потребность в технологической площади.

Недостатки:

•открытая система;

•затраты на обслуживание;

•требуется анализ грунтовых вод;

•обязательное наличие разрешительной документации.

Использование грунтовых вод путём их отбора через колодезную установку и последующего возврата в водоносные слои грунта является особенно выгодным с энергетической точки зрения. Практически константная температура воды в течение всего года позволяет достичь высоких значений коэффициента мощности ТН. Особое внимание при этом необходимо уделять потребности во вспомогательной энергии, особенно электроэнергопотреблению качающего насоса. В небольших ТНУ или при значительных глубинах укладки зондов предполагаемые энергетические преимущества очень часто «съедаются» дополнительными затратами энергии качающих насосов и нередко приводят к существенному влиянию на годовой коэффициент эффективности.

Кроме того, при разработке источника тепла «Грунтовые воды» следует помнить, что речь здесь идёт об открытой системе, которая зависит от качества воды, расхода воды и т.д. Поэтому решение о применении того или иного ТН для работы с грунтовыми водами необходимо особенно тщательно обдумывать и взвешивать.

Прежде всего, следует проверить, есть ли в выбранной Вами местности достаточное количество грунтовых вод на глубине макс. 20 м. Об этом можно узнать у местной администрации по управлению водными ресурсами, у городского предприятия водоснабжения или у местных бурильно-монтажных фирм по обустройству артезианских колодцев.

Затем необходимо получить разрешение местной администрации по управлению водными ресурсами на отбор и возврат грунтовых вод для целей отопления. Планирование и исполнение работ по обустройству колодезной, т.е. скважинной установки должно выполняться квалифицированным бурильно-монтажным предприятием, так как непрофессиональное исполнение может привести в течение нескольких лет к существенным отложениям железо-магниевых окислов именно в поглощающем, т.е. насыщающем колодце. Для устранения такого повреждения потребуются очень значительные затраты. К тому же во время проведения ремонт- но-восстановительных работ эксплуатация ТНУ невозможна, так что при наличии моновалентной ТНУ нельзя обеспечить отопление здания.

Качество грунтовых вод определяется путём специального анализа воды. При эксплуатации ТНУ тоже рекомендуется регулярно брать пробы воды на анализ, так как состав грунтовых вод может со временем изменяться.

Из-за существенных затрат грунтовые воды как источник тепла используют на маленьких объектах (в одно- и двухсемейных домах) в большинстве случаев только там, где уже собран многолетний опыт эксплуатации колодцев и где можно отказаться от регулярного отбора проб для анализа воды. Напротив, на больших объектах, например, в жилищных комплексах, офисных постройках, коммунальных зданиях, источник тепла «Грунтовые воды» играет важную роль, прежде всего – в сочетании с системой охлаждения здания. Здесь соотношение прибыли и затрат, как правило, позитивное.