Расчет тепловых насосов

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 1,2–1,5 м либо в вертикальные скважины глубиной 20–100 м. Иногда трубы укладывают в виде спиралей в траншеи глубиной 2–4 м. Это значительно уменьшает общую длину траншей. Максимальная теплоотдача поверхностного грунта составляет 50–70 кВт·ч/м2 в год. По данным зарубежных компаний, срок службы траншей и скважин составляет более 100 лет.  
 
7.2 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, сухаяглина – 20, влажная глина – 25, глина с большим содержанием воды – 35 Вт/м. 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-процентный раствор гликоля. В расчетах следует учесть, что его теплоемкость 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:  
 
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).  
 
7.3 Пример расчета теплового насоса.  
 
Исходные условия: теплопотребность коттеджа площадью 120–240 м2 (в зависимости от теплоизоля- ции) – 12 кВт; температура воды в системе отопления должна быть 35 °С; минимальная температура теплоносителя – 0 °С. Для обогрева здания выбран тепловой насос мощностью 14,5 кВт (ближайший больший типоразмер), затрачивающий на нагрев фреона 3,22 кВт. Теплосъем с поверхностного слоя грунта (сухая глина) q равняется 20 Вт/м. В соответствии с показанными выше формулами рассчитываем:  
 
1) 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 трубу из полиетилена высокой плотности (HDPE) типоразмера 32. Потери давления в ней составят 45 Па/м; сопротивление одного контура – примерно 7 кПа; скорость потока теплоносителя – 0,3 м/с.  
 
7.4 Расчет зонда  
 
При использовании вертикальных скважин глубиной от 20 до 100 м в них погружаются U-образные металлопластиковые или пластиковые (при диаметрах выше 32 мм) трубы. Как правило, в одну скважину вставляется две петли, после чего она заливается цементным раствором. В среднем удельный теплосъем такого зонда можно принять равным 50 Вт/м. Можно также ориентироваться на следующие данные по теплосъему:  
 
сухие 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 горизонтальногоколлектора. 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 – 25-процентный раствора гликоля); сопротивление контура – 14,4 кПа; скорость потока – 0,3 м/с.  
 
7.5 Выбор оборудования  
 
Поскольку температура антифриза может изменяться (от –5 до +20 °С) в первичном контуре тепло насосной установки необходим расширительный бак.  
 
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 10–20 л на 1 кВт мощности теплового насоса.  
 
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 Молдовы время, когда температура опускаетсяниже –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 Молдовы, –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 Молдовы 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» ALTAL GWHP19 мощностью 19 кВт, потребляющий 5,3 кВт электроэнергии или более новый, с более высоким коэфициентом преобразрвания, тепловой насос с многокомпрессорной системой, GWHP16С (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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8.Приме для расчета.

Итак, узнав достаточно информации для выбора теплового насоса, нам остается самим рассчитать минимальную тепловую мощность, необходимую для Нашего конкретного помещения.

 Много зависит:

• Какие источники тепла, можно использовать, (канализация, вытяжка, скважина….)?

• Дебит и глубина зеркало воды скважины, если такого имеется на участке?

• Расположен ли участок на берегу водоема?

• Какая геология грунта на участке (имеется в виду: песок, глина, торф…)?

• Уровни залегания грунтовых, подземных вод на участке?

• Какие теплопотери дома?

8.1 Расчет необходимой тепловой мощности

 

  

 

 

Принятые обозначения.

 
V - Объем обогреваемого помещения (ширина, длина, высота) - M³ 
T - Разница между температурой воздуха вне помещения и необходимой температурой внутри помещения - °С

K - Коэффициент рассеяния (зависит от типа конструкции и изоляции помещения) 
 
K = 3,0 - 4,0 - Упрощенная деревянная конструкция или конструкция из гофрированного металлического листа. Без теплоизоляции.

K = 2,0 - 2,9 - Упрощенная конструкция здания, одинарная кирпичная кладка, упрощенная конструкция окон и кровли. Небольшая теплоизоляция.

K = 1,0 - 1,9 - Стандартная конструкция, двойная кирпичная кладка, небольшое число окон, стандартная кровля. Средняя теплоизоляция.

K = 0,6 - 0,9 - Улучшенная конструкция, кирпичные стены с двойной теплоизоляцией, небольшое число окон сдвоенными рамами, толстое основание пола, кровля из высококачественного теплоизоляционного материала. Высокая теплоизоляция.

 

 

 

8.2 Пример расчета тепловой мощности

V = ширина 4м, длина 12м, высота 3м = Объем обогреваемого помещения  = 144 м³. (V = 144) 
T = Температура наружного воздуха -5° C,+ требуемая температура внутри помещения +18° C, = разница между температурами внутри и снаружи 23° C. (T = 23)

K – Этот коэффициент  зависит от типа конструкции  и изоляции помещения (см. выше) 
 
Требуемая тепловая мощность

 

 

 

 

 

 

 

8.3 Теперь можно приступить к выбору модели теплового насоса

 
Примечание. Используемые в климатической технике единицы измерения мощности (производительности) связаны между собой соотношениями:

 

 

Название ед.	BTU	1 ккал/ч	Вт	кДж	1 л. с.
BTU	1	0,252	0,293	1,055	0,00039
1 ккал/ч	3,968	1	1,163	4,186	0,0015
1 Вт	3,412	0,86	1	3,601	0,00133
1 кДж	0,948	0,239	0,278	1	0,00037
1 л. с.	2559	645	750	2700	1

 

 

 

 

 

8.4. Таблица тепловой мощности, необходимой для различных помещений

 

 

Тепловая мощность кВт	Объем помещения в новом здании	Объем помещения в старом здании	Площадь теплицы из теплоизолированного стекла и с двойной фольгой	Площадь теплицы из обычного стекла с фольгой
РАЗНИЦА ТЕМПЕРАТУР 30°C
5	70 - 150 м³	60 - 110 м³	35 м²	18 м²
10	150 - 300 м³	130 - 220 м³	70 м²	37 м²
20	320 - 600 м³	240 - 440 м³	140 м²	74 м²
30	650 - 1000 м³	460 - 650 м³	210 м²	110 м²
40	1050 - 1300 м³	650 - 890 м³	300 м²	150 м²
50	1350 - 1600 м³	900 - 1100 м³	370 м²	180 м²
60	1650- 2000 м³	1150- 1350 м³	440 м²	220 м²
75	2100 - 2500 м³	1400 - 1650 м³	550 м²	280 м²
100	2600 - 3300 м³	1700 - 2200 м³	740 м²	370 м²
125	3400 - 4100 м³	2300 - 2700 м³	920 м²	460 м²
150	4200 - 5000 м³	2800 - 3300 м³	1100 м²	550 м²
200	5000 - 6500 м³	3400 - 4400 м³	1480 м²	740 м²

 

 

 

 

 

 

 

 

9.Выводы

Плюсы  :

1)Недостатки: Универсальность - с помощью  теплового насоса можно решить  не только задачу топления, но  и охлаждения.

2)Независимость от наличия источника  тепла.

3)Исключительная долговечность - единственный  элемент, который подвергается механическому  износу - это компрессор

4)Пожарная и экологическая безопасность  – получение тепла не сопровождается  процессом горения.

5)Низкий срок окупаемости. Примерно 3-5 лет.

6)Энергия главный источник тепла. Самое главное он закончится точно не скоро.

 

Недостатки :

1)Высокая стоимость начальных  затрат.