Расчет земляного коллектора и вертикального зонда теплового насоса

Цель работы

Целью данной работы является расчет земляного коллектора, подбора вертикального зонда теплового насоса.

Теоретический материал

Расчет земляного коллектора. Расчет земляного коллектора для тепловых насосов «грунт-вода». Отбор тепла из грунта осуществляется горизонтальными коллекторами или вертикальными зондами рисунок 13.

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. 13. Горизонтальный коллектор и зонд для теплосъема с грунта

Количество полезного тепла и размеры необходимой площади зависят от теплофизических свойств 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: разность между тепловой нагрузкой теплового насоса и его потребляемой мощностью:

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. Шаг прокладки труб при длине трубных контуров 100 м.

полиэтиленовой трубы 20 × 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, что значительно сэкономит средства при земляных работах.

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 9.

Определение объема теплоносителя циркулирующего по контуру:

V_р = F g

Таблица 9. 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 рисунок 14.

Рис. 14. 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 15.

Таблица 15. Удельный отбор мощности для земляных зондов

Грунт	удельный отбор мощности, Вт/м
Плохой грунт (сухая осадочная порода) λ < 1,5 Вт/(м · K)
Нормальная твердая каменная порода и насыщенная водой осадочная порода λ < 1,5‐3,0 Вт/(м · K)
Твердая каменная порода с высокой Теплопроводностью λ > 3,0 Вт/(м · K)
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

Пример расчета:

Геозонд имеет вид двойной U-образной трубы

Средний отбор мощности q = 50 Вт/м длины зонда, мощность ТН определена N = 5,0 кВт

Длина зонда, м:

L =

Выбранная труба для зонда: полиэтиленовая труба 32 × 3,0 (2,9) мм с 0,531 л/м

Необходимое количество теплоносителя. При количестве зондов > 1 необходимо предусмотреть распределитель рассола. Диаметр подводящего трубопровода должен быть больше диаметра трубных контуров, рекомендуется PE 32 - PE 63.

Земляной зонд в виде двойной U-образной трубы, подающая магистраль: 10 м (2 × 5 м) из полиэтиленовой трубы 32 × 3,0 (2,9)= 2 × 100 м × 2 × 0,531 л/м + 10 м × 0,531 л/м = 217,7 л

Предусмотрено 220 л, включая количество рассола для теплового насоса.

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

Грунтовые воды. Тепловые насосы вода-вода используют тепло, содержащееся в грунтовых водах. Тепловой насос «вода-вода» рисунок 15.

Рис. 15. 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

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

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 рисунке 16.

Рис. 16. 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.

Расчеты:

Как известно, тепловые насосы используют бесплатные и возобновляемые источники энергии: низкопотенциальное тепло воздуха, грунта, подземных, сточных и сбросовых вод технологических процессов, открытых незамерзающих водоемов. На это затрачивается электроэнергия, но отношение количества получаемой тепловой энергии к количеству расходуемой электрической составляет порядка 3 – 6.

Источниками низкопотенциального тепла могут быть наружный воздух температурой от – 10 до + 15 ⁰С, отводимый из помещения воздух (15 – 25 ⁰С), подпочвенные (4 – 10 ⁰С) и грунтовые (более 10 °C) воды, озерная и речная вода (0 – 10 ⁰С), поверхностный (0 – 10 ⁰С) и глубинный (более 20 м) грунт (10 ⁰С).

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. Срок службы траншей и скважин составляет более 100 лет.

Пример расчета теплового насоса

Исходные условия: Необходимо выбрать тепловой насос для отопления и горячего водоснабжения коттеджного двухэтажного дома, площадью 200м²; температура воды в системе отопления должна быть 35 ⁰С; минимальная температура теплоносителя – 0 ⁰С. Теплопотери здания-50 Вт/м². Грунт глиняный, сухой.

Расчет:

Требуемая тепловая мощность на отопление: 200 50 = 10 кВт;

Требуемая тепловая мощность на отопление и горячее водоснабжение: 200 50 1,25 = 12,5 кВт.

Для обогрева здания выбран тепловой насос WWHRPC 12 мощностью 14,79 кВт (по типоразмеру), затрачивающий на нагрев фреона 3,44 кВт. Теплосъем с поверхностного слоя грунта, сухая глина q = 20 Вт/м.

Решение:

1. Требуемая тепловая мощность коллектора, кВт:

Q_o = 14,79 – 3,44 = 11,35

2. Суммарная длина труб, м:

L = = = 567,5

Для организации такого коллектора потребуется 6 контуров длиной по 100 м;

3. При шаге укладки 0,75 м необходимая площадь участка, м²:

F = 600 0,75 = 450;

4. Общий расход 25% гликолевого раствора, м³/ч:

V_s = = = 3,506,

где с - теплоемкость раствора при температуре 0 ⁰С, составляет 3,7 кДж/(кг·К); ρ - плотность – 1,05 г/см³; t – разность температур между подающей и возвратной линиями, обычно принимается равной 3 ⁰С.

Расход на один контур равен 0,584 м³/ч. Для устройства коллектора выбираем металлопластиковую трубу типоразмера 32 (например, РЕ32х2). Потери давления в ней составят 45 Па/м; сопротивление одного контура – примерно 7 кПа; скорость потока теплоносителя – 0,3 м/с.

Высокотемпературные геотермальные тепловые насосы Dimplexприведены в приложениях 2, 3.

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/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% 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.

Расчет зонда.

При использовании вертикальных скважин глубиной от 20 до 100м 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 ⁰С. Расстояние между скважинами должно быть больше 5м. 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 ⁰С.

Пример расчета. Исходные данные – те же, что в приведенном выше расчете горизонтального коллектора. При удельном теплосъеме зонда 50 Вт/м и требуемой мощности 11,35 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 25 (РЕ25х2.0); всего – 6 контуров по 150 м.

Общий расход теплоносителя при .t = 5 ⁰С 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% раствора гликоля); сопротивление контура – 14,4 кПа; скорость потока – 0,3 м/с.

Задание для самостоятельной работы

1. Назвать низкопотенциальные источники тепловых насосов.

2. Сделать расчет коллектора для одного из грунтов:

Сухая песчаная почва q = 15 Вт/м²;

Влажная песчаная почва q = 20 Вт/м²;

Сухая глинистая почва q = 25 Вт/м²;

Влажная глинистая почва q = 30 Вт/м2

Почва с грунтовыми водами q = 35 Вт/м².

3. Принцип прокладки горизонтального коллектора и вертикального зонда.

4. С чего складывается мощность теплового насоса.

5. Объем теплоносителя циркулирующего в коллекторе от чего зависит.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №7