Краткая история создания тепловых насосов
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО РЫБОЛОВСТВУ
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Дальневосточный государственный технический
рыбохозяйственный университет»
(ФГБОУ ВО «ДАЛЬРЫБВТУЗ»)
СИСТЕМЫ ДИНАМИЧЕСКОГО
ОХЛАЖДЕНИЯ И ОТОПЛЕНИЯ,
КОМФОРТНОЕ
ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЕ
Учебно-методическое пособие
для организации самостоятельной работы
студентов по направлению
16.03.03. «Холодильная, криогенная техника
и системы жизнеобеспечения» профиль
«Холодильная техника и технологии»
всех форм обучения
Владивосток
2016 г.
УДК 62-71+628.81(075.8)
ББК 31.26-04я73
Д79
Автор - Л.В. Дуболазова, старший преподаватель кафедры «Холодильная техника, кондиционирование и теплотехника»
Дальрыбвтуза
Рецензент – В.П. Шайдуллина, к.т.н., доцент кафедры «Холодильная техника, кондиционирование и теплотехника»
Дальрыбвтуза
Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный
университет, 2016
ВВЕДЕНИЕ
Некоторые негативные факторы традиционного теплоснабжения предполагают активного использования нетрадиционных методов теплоснабжения, к примеру, холодильных технологий, которые могут применяться не только для получения низких температур, но и нагрева воды для систем теплоснабжения.
И одним из таких методов является полезное использование рассеянного низкотемпературного 5 - 30 °С природного тепла или сбросного промышленного тепла для теплоснабжения с помощью тепловых насосов.
Кроме традиционных областей применения отопления, горячего водоснабжения, кондиционирования, тепловые насосы могут использоваться и для производственных технологических процессов.
Практически во всех развитых странах налажено массовое производство тепловых насосов, а ежегодный выпуск составляет более 1 млн. штук. К настоящему времени в мире эксплуатируются свыше 15 млн. тепловых насосов мощностью от нескольких киловатт до сотен мегаватт, а рынок ежегодных продаж составляет около миллиона установок /40-42/.
Такой рост объемов выпуска тепловых насосов объясняется их преимуществами:
- высокая экономичность. Для получения 1 кВт тепловой энергии нужно затратить всего 0,2 - 0,35 кВт электроэнергии;
- экологическая чистота. Насос не сжигает топлива и не производит вредных выбросов в атмосферу;
- низкие трудозатраты. Теплонасосную станцию мощностью до 10 МВт обслуживает один оператор;
Теплонасосные установки стремительно вытесняют другие способы теплоснабжения. Применение теплонасосных установок - это сбережение невозобновляемых энергоресурсов и защита окружающей среды от выбросов СО2 парникового газа в атмосферу.
Для автономного теплоснабжения зданий разного назначения, городских районов, населенных пунктов используют преимущественно парокомпрессионные тепловые насосы тепловой мощностью 10 - 30 кВт в единице оборудования малых зданий и до 5 МВт для районов и населенных пунктов.
По прогнозу Мирового энергетического комитета к 2020 г. в передовых странах доля отопления и горячего водоснабжения с помощью тепловых насосов составит 75%.
Массовое производство тепловых насосов налажено практически во всех развитых странах.
ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ ИХ
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
Типы тепловых насосов.
В настоящее время разработаны и находят применение три основные группы тепловых насосов:
- компрессионные (паровые);
- струйные (эжекторного типа);
- абсорбционные.
Компрессионные тепловые насосы. Компрессионные насосы применяются для теплоснабжения отдельных зданий или групп зданий, а так же для теплоснабжения отдельных промышленных цехов или установок.
В качестве рабочего агента в теплонасосных установках используются обычно фреоны.
На рис. 2.6 приведена принципиальная схема идеального парокомпрессионного теплового насоса.
 |  | |
| Рис. 2.6. Принципиальная схема идеального компрессионного теплового насоса: I - испаритель, II - компрессор, III - конденсатор, IV - детандер | Рис. 2.7. Схема компрессионного теплового насоса работающего по замкнутому циклу: 1 - испаритель, 2 - компрессор, 3 - конденсатор, 4 - детандер, 5- потребитель тепла, 6 - насос. |
В испаритель I подводится располагаемая теплота низкого потенциала при температуре Тн. Пары рабочего агента поступают из испарителя I в компрессор II, в состоянии 1 сжимаются до давления рк и соответствующей ему температуре насыщения Тк. В состоянии 2 сжатые пары рабочего агента поступают в конденсатор III, где передают теплоту теплоносителю системы теплоснабжения. В конденсаторе пары рабочего агента конденсируются. Из конденсатора рабочий агент поступает в жидком виде в детандер IV (устройство, в котором расширение рабочего тела, производимое совместно с охлаждением, происходит с совершением полезной работы), где происходит расширение рабочего агента от давления рк до давления ро, сопровождающееся снижением его температуры и отдачей теплоты. Из детандера рабочий агент поступает в испаритель I и цикл замыкается.
Схема тепловых насосов, работающих по замкнутому циклу (рис. 2.7) принципиально ничем не отличаются от схемы паровых компрессионных холодильных установок.
Струйные тепловые насосы. В настоящее время широкое применение получили струйные тепловые насосы эжекторного типа. Пар высокого давления поступает в струйный аппарат, и за счёт использования энергии рабочего потока происходит сжатие инжектируемого потока. Из аппарата выходит смесь двух потоков. Таким образом, при сжатии инжектируемого пара одновременно повышается его температура. Сжатый поток пара затем выводится из установки. Струйные тепловые насосы получили в настоящее время наибольшее распространение благодаря простоте обслуживания, компактности, отсутствии дорогостоящих элементов.
Абсорбционные тепловые насосы. Абсорбционные тепловые насосы работают на принципе поглощения водяного пара водными растворами щелочей (NaOH, KOH). Процесс абсорбции водяного пара происходит экзотермически, т. е. с выделением тепла. Это тепло расходуется на подогрев раствора до температуры, значительно превышающей температуру абсорбируемого пара. Нагретый раствор щёлочи на выходе из абсорбера направляют в поверхностный испаритель. Здесь генерируется вторичный пар более высокого давления, чем первичный пар, поступающий в абсорбер. Таким образом, в абсорбционных тепловых насосах процесс получения пара повышенного давления осуществляется за счёт использования тепла, подведённого извне.
Абсорбционные тепловые насосы имеют высокий КПД, у них отсутствуют движущиеся части, оборудование может быть легко изготовлено. Однако абсорбционные насосы требуют большой удельной затраты металла, что делает их громоздкими. Возможность коррозии металла требует изготовления аппаратуры из легированной стали. Поэтому абсорбционные тепловые насосы не получили широкого распространения в промышленности.
Проведенные различными организациями исследования показали, что наиболее перспективными для теплоснабжения являются паро-компрессорные ТНУ.
На рис. 2.8 приведена схема и процесс в T-s диаграмме парокомпрессионного теплового насоса. Работа теплового насоса осуществляется за счет подведенной к компрессору КМ электроэнергии. В процессе 1-2 в компрессоре происходит сжатие пара от давления в испарителе Ро до давления в конденсаторе Рк. Затем в процессе 2-3 в конденсаторе при Рк = const происходит охлаждение и конденсация рабочего вещества с отводом теплоты qS (QS), которое передается потребителю. В процессе 3-4 происходит расширение (дросселирование) рабочего вещества с Рк до Ро, а в процессе 4-1 в испарителе рабочее вещество испаряется при tо за счет подведенного тепла qо (Qо) от низкопотенциального источника теплоты. Это количество тепла, как было сказано выше, трансформируется на более высокий температурный уровень.
Рис. 2.8. Схема парокомпрессионного теплового насоса (ТН) и
процесс в T-s диаграмме: КМ - компрессор; К - конденсатор;
Др - дроссель; И - испаритель; Рк; tк - давление и температура в
конденсаторе; Ро; tо - давление и температура в испарителе.
В значительной степени эффективность применения тепловых насосов зависит от источника низкопотенциальной теплоты. Таким источником мог бы быть атмосферный воздух. Однако в зимнее время, когда тепловая нагрузка возрастает, его температура в наших природно - климатических условиях становится слишком низкой, чтобы обеспечить эффективную работу теплового насоса. Идеальный вариант для тепловых насосов - наличие вблизи от потребителя источника “сбросной” теплоты промышленного или коммунального предприятия.
В качестве довольно универсального источника низкопотенциальной теплоты можно использовать теплоту грунта. Известно, что на глубине 8 - 10м и более температура грунта в течение года практически постоянна и соответствует среднегодовой температуре атмосферного воздуха. В климатических условиях средней полосы России эта температура составляет 5 - 8 °С., что весьма неплохо для использования в тепловых насосах.
Контрольные вопросы
1. Какой цикл для теплового насоса является циклом – образцом?
2. Как оценивается эффективность цикла теплового насоса?
3. Почему невозможно практически реализовать цикл Карно?
4. Факторы, влияющие на действительный коэффициент преобразования теплоты?
5. Назначение теплового насоса?
6. Назовите типы тепловых насосов?
7. Назовите источники низкопотенциальной теплоты?
- Объясните принцип действия теплового насоса?
- Какую среду нагревает тепловой насос?
- Какие вещества используются в тепловом насосе в качестве хладагентов?
ТЕПЛОНАСОСНЫЕ УСТАНОВКИ,
ПРИНЦИПЫ ИХ РАБОТЫ
Тепловые насосные установки отличаются по тепловым схемам, рабочим телам и по используемому оборудованию. По обозначению различных классов установок встречаются различные обозначения и термины.
Классификация теплонасосных установок представляется следующим образом. По принципу взаимодействия рабочих тел:
- открытого цикла, в которых рабочее тело забирается и отдается во внешнюю среду;
- замкнутого цикла, в которых рабочее тело движется по замкнутому контуру, взаимодействуя с источником и потребителем теплоты лишь посредством теплообмена в аппаратах поверхностного типа.
Различают одно-, двухступенчатые и каскадные ТНУ, а также ТНУ с последовательным соединением по нагреваемому и охлаждаемому теплоносителям с противоточным их движением.
ТНУ классифицируются для аккумулирования тепловой энергии, ее транспорта и утилизации сбросного тепла: стационарные и передвижные.
По производительности: крупные, средние, мелкие.
По температурному режиму: высокотемпературные, среднетемпературные и низкотемпературные.
По режиму работы: стационарные, нестационарные, непрерывные или цикличные, нестационарные с аккумулятором тепловой энергии.
По виду холодильного агента: воздушные, аммиачные, фреоновые, на смесях холодильных агентов.
По виду потребляемой энергии: с приводом от электродвигателя или газовой турбины или от газовой турбины, работающие на вторичных энергоресурсах и др.
Все типы тепловых насосных установок можно классифицировать по ряду сходных признаков. Каждый из них отражает только одну характерную особенность установки, поэтому в определении теплонасосной установки может быть два и более признака.
Теплонасосные установки так же классифицируются по циклам их работы. Существует несколько основных типов тепловых насосов:
- воздушно-компрессорные тепловые насосы;
- тепловые насосы с парокомпрессионным циклом;
- абсорбционные тепловые насосы;
- тепловые насосы, основанные на использовании эффекта Ранка;
- тепловые насосы, основанные на использовании двойного цикла Ренкина;
- тепловые насосы, работающие по циклу Стирлинга;
- тепловые насосы, работающие по циклу Брайтона;
- термоэлектрические тепловые насосы.
- обращённый топливный элемент;
- тепловые насосы с использованием теплоты плавления;
- тепловые насосы с использованием механохимического эффекта;
- тепловые насосы с использованием магнитокалорического эффекта.
ТЕПЛОТЫ
В теплонасосных установках используются низкопотенциальные источники энергии с температурой менее 50 - 700С, которые невозможно использовать в качестве греющей среды в обычном теплообменном оборудовании.
В теплонасосных установках можно использовать низкотемпературную теплоту 20 - 60 0С, для АПТ - низко- и среднепотенциальную на уровне 80 - 160 0С, а также высокопотенциальную теплоту 160 - 400 0С.
Низкопотенциальными источниками тепловой энергии можно рассматривать:
- теплоту атмосферного воздуха;
- питьевую воду, подаваемую на водоснабжение;
- воду промышленных предприятий и ЖКХ;
- морскую воду прибрежных территорий;
- теплоту грунта и др.
Сведения о некоторых источниках низкотемпературной теплоты представлены в табл. 4.1.
Таблица 4.1. Сведения о некоторых источниках низкотемпературной теплоты
| Источник низкотемпературной теплоты | Среда промежуточного контура | Температура источника, 0С |
| Грунтовые воды | вода | 8…15 |
| Грунт | антифриз | 2…10 |
| Вода с водозабора | вода | 6…10 |
| Речная вода | антифриз | 1…10 |
| Канализационные стоки | вода | 10…17 |
| Окружающий воздух | воздух | -8… +15 |
| Вытяжной воздух | воздух | 18…25 |
| Морская вода | антифриз | 3…8 |
Теплота грунта. В качестве источника низкопотенциальной теплоты могут использоваться грунтовые воды с относительно низкой температурой менее 50 0С, либо грунт поверхностных слоев земли.
Тепловой режим грунта формируется под действием падающей на поверхность солнечной радиации и потоком теплоты из низких недр.
Глубина проникновения сезонных колебаний температуры наружного воздуха и интенсивности падающей солнечной радиации по данным /10/ не превышает 15 - 20 м. До глубин до 400 м температура поддерживается 8 - 10 0С, а далее идет повышение температуры примерно на 3 0С на каждые 100 м. Величина потока теплоты из земных недр для различных местностей и районов отличаются.
Теплота атмосферного воздуха. Использование теплоты воздуха "бесплатного" источника теплоты является наиболее привлекательным для использования в домашних приложениях теплового насоса для создания комфортных условий внутри дома. Он общедоступен и привлек наибольшее внимание в массовом производстве.
Наибольшее распространение получили тепловые насосы с воздухом в качестве источника тепла с самого начала их применения в домашних условиях. В основном воздух же является и тепловым стоком. Как источник теплоты воздух обладает рядом недостатков, поэтому требуется тщательная оптимизация конструкции в зависимости от места установки, где температура воздуха может быть существенно различной.
Характеристики теплового насоса ухудшаются по мере увеличения разности температур испарителя и конденсатора. Это оказывает особенно неблагоприятное влияние на тепловые насосы с воздушным источником тепла.
По мере снижения температуры окружающего воздуха требуемое количество теплоты для отопления повышается, но способность теплового насоса поддерживать даже постоянную тепловую мощность существенно снижается. Для преодоления этого недостатка часто применяется дополнительный нагрев.
Теплота водоемов. Крупные незамерзающие водоемы представляют ценность в качестве источников теплоты для ТНУ. К ним, например, относятся Черное и Каспийское моря. На Черноморском побережье Кавказа и Крыма действуют ТНУ на морской воде, температура которой зимой в этих районах не опускается ниже 8 °С. Особенно эффективно круглогодичное использование теплоты морской воды с температурой летом 20 - 25 0С для ТНУ горячего водоснабжения, составляющего значительные нагрузки в южных городах и курортах.
Морская вода прибрежных территорий представляется в некоторых случаях отличным источником тепла и используется главным образом в средних и крупных системах.
В зависимости от географического положения морская вода на глубине от 25 до 50 м имеет постоянную температуру в диапазоне от 5 до 8 0C. Проблем с образованием льда не возникает, поскольку точка замерзания на этой глубине составляет от -10 до – 2 0C. Можно использовать как системы непосредственного испарения, так и рассольные системы. Необходимо только использовать теплообменники и насосные агрегаты, стойкие к воздействию коррозии, и предотвращать накопление отложений органического характера в водозаборном трубопроводе, теплообменниках, испарителях и пр.
Это довольно перспективный источник энергии низкого потенциала для ТНУ.
Питьевая вода систем водоснабжения. На снабжение промышленных нужд и водоснабжение населения подают значительные количества воды с температурой 8 - 10 0С. Так на обеспечение потребностей г. Владивостока подается более 300 тыс. м3 пресной воды в сутки. Если с помощью ТНУ понизить температуру подаваемой воды на 2 - 4 0С, то можно с этого потока снять от 30 до 55 тыс. кВт тепловой энергии.
В переходный и зимний периоды года в ТНУ могут быть использованы холодная вода из водоемов и наружный воздух с температурой свыше 0 0С.
Источником низкопотенциальной теплоты могут служить слабоминерализованные геотермальные воды, солнечная энергия, запасаемая с помощью гелиоустановок и аккумуляторов теплоты.
Энергия солнца. Все источники теплоты для тепловых насосов в той или иной мере подвержены влиянию солнечной энергии, но её можно использовать и непосредственно с помощью солнечных коллекторов с циркуляцией теплоносителя, подогрева воздуха, входящего в испаритель с помощью солнечных концентраторов. Хотя солнечные концентраторы, по-видимому, более пригодны для абсорбционных тепловых насосов. Они еще мало применяются в домашних условиях, но служат предметом значительной исследовательской работы. Для подогрева генератора в абсорбционном цикле требуются более высокие температуры, чем достижимые обычными плоскими коллекторами. Однако применение абсорбционного цикла для кондиционирования допускает нагрев от плоских коллекторов, поскольку здесь должна быть температура ниже и, потому охлаждение воздуха проводится летом, как раз тогда, когда солнечная радиация интенсивна и температура коллектора повышена.
Вместе с другими источниками тепла для тепловых насосов широко применяют плоские коллекторы, размещенные на крышах. Вообще солнечные коллекторы интенсивно изучаются для применения не только с тепловыми насосами, но и самостоятельно, а также в схемах с аккумуляторами тепла. Последние представляют интерес для тепловых насосов, как источник тепла в облачные дни или ночью.
Давая тепло в испаритель при температуре более высокой, чем окружающий воздух, грунт или вода, солнечные коллекторы повышают характеристики теплового насоса.
Обычно промежуточный теплоноситель - вода передает тепло от коллектора к испарителю. Но может быть и полное совмещение коллектора с испарителем, где хладагент испаряется непосредственно внутри трубок солнечного коллектора.
Часто теплота от солнечного коллектора подается в жидкостный тепловой аккумулятор, куда погружены трубки испарителя. Тепловой аккумулятор играет существенную роль в любой солнечной теплонасосной системе.
Если тепловые насосы не могут поднять температуру теплоносителя в системах отопления до высоких и в большинстве своем обеспечивают 50 - 55 0С, а в некоторых случаях - до 63 0С. Когда температура теплоносителя в расчетный период не превышает 55 0С, то требуется специальная подготовка: повышение площади теплообмена или использование пиковых догревателей при низких наружных температурах.
Децентрализованное теплоснабжение позволяет применять современные низкотемпературные системы отопления с температурой теплоносителя 35 - 60 0С, обеспечивающие достаточно высокие коэффициенты преобразования тепловых насосов µ = 3,5 - 5,0.
Некоторые сведения о потребителях высокотемпературной теплоты приведены в табл. 4.2.
Таблица 4.2. Сведения о потребителях высокотемпературной теплоты
| Система | Примечание | Расчетная температура потребителя, 0С |
| Отопление | Теплые полы | 25…35 |
| Жилой дом | 95…105 | |
| Промышленное здание | 95…150 | |
| Горячее водоснабжение | - | 50…55 |
| Теплоснабжение вентиляции | - | 95…150 |
Однако низкие значения температуры воздуха, малая его теплоемкость и коэффициент теплоотдачи не позволяют достичь приемлемых показателей энергетической эффективности крупных установок, в частности теплонасосных станций, к испарителям которых требуется подводить большие тепловые потоки.
Контрольные вопросы
1. Какие существуют низкопотенциальные источники тепла?
2. Какова температура низкопотенциальных источников тепла?
3. Какую температуру теплоносителя обеспечивают тепловые насосы?
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 (m), типичные для тепловых насосов класса «вода - вода» для различных типов систем табл. 6.1.
Таблица 6.1. Значения коэффициента СОР (m)
| Тип отопительной системы и значения подающейся и отводимой температурные воды, 0C | СОР* |
Системы традиционных радиаторов (60/50 Наши рекомендации |