Использование низкопотенциального тепла окружающей среды для подогрева воды и отопления становится экономически выгодным при длительном использовании системы. Преградой широкому распространению подобных устройств является высокая начальная стоимость оборудования и его установки. Поэтому всегда актуален полный или частичный монтаж теплового насоса своими руками, позволяющий сэкономить значительные средства.
Рис. 1 Тепловой насос вода-вода в доме
При создании тепловых насосов для отопления используется природное низкопотенциальное тепло воздушных масс, почвы и воды. Водяные виды поглощают тепловую энергию из скважин, колодцев, прудов и других открытых водоемов. Тепловой насос работает подобно холодильнику, который забирает тепло из холодильной камеры и выводит его наружу через внешний радиатор.
При монтаже первичный теплообменник с циркулирующим теплоносителем помещают в емкость с водой, из которой забирается тепло. Вода всасывается водяной помпой, проходит по системе труб и далее поступает в испаритель — в устройстве при нагреве жидкости происходит ее испарение. В испарителе теплоноситель передает тепло фреону, для которого небольшая положительная температура 6 — 8 С является точкой кипения, и газообразный хладагент поступает в компрессор.
Рис.2.Схема теплового насоса вода-вода
Там происходит его сжатие, приводящее к повышению температуры газа, и дальнейшая подача в конденсатор. В конденсаторе тепловая энергия от газа с температурой 40 — 70 С передается воде в системе отопления, охлажденный газ конденсируется и попадает в редукционный клапан (дроссель). Его давление понижается — это приводит к большему охлаждению газа до жидкообразного состояния, в котором он снова подается в испаритель. Система работает в круговом замкнутом циклическом режиме.
Расчет теплового насоса
Для конструкции системы своими руками в первую очередь необходимо выполнить расчет с учетом потребностей в тепловой энергии (насосы могут дополнительно использоваться для обеспечения горячего водоснабжения дома) и возможных потерь. Алгоритм расчета состоит из следующих операций.
- Вычисляется площадь отапливаемого помещения.
- Основываясь на полученных значениях определяется общее количество энергии, необходимой для отопления исходя из расчета 70 — 100 ватт на квадратный метр. Параметр зависит от высоты потолков, материала изготовления и степени теплопроводности дома.
- При обеспечении горячего водоснабжения полученное значение увеличивают на 15 — 20 %.
- Исходя из полученной мощности выбирается компрессор, производится расчет и проектирование основных узлов системы: трубопроводной магистрали, испарителя, конденсатора, электрической помпы и других узлов.
Комплектующие для системы отопления с тепловым насосом при самостоятельном изготовлении
Обычному домовладельцу довольно сложно конкурировать с промышленными тепловыми насосами отечественного и зарубежного производителя, тем не менее его монтаж и изготовление отдельных узлов не являются невыполнимыми работами. Основной задачей при устройстве теплового насоса остается правильность расчетов, ведь при ошибке система может иметь низкий КПД и стать неэффективной.
Компрессор
Для монтажа понадобится новый или б.у. компрессор в рабочем состоянии с невыработанным ресурсом подходящей мощности. Обычная мощность компрессора должна составлять 20 — 30% от расчетной, можно использовать стандартные заводские агрегаты для холодильников или кондиционеров спирального принципа действия, обладающие более высоким КПД по сравнению с поршневыми устройствами.
Испаритель и конденсатор
Для охлаждения и нагрева жидкостей их обычно пропускают через медные трубы, помещенные в емкость с теплообменником. Для увеличения площади охлаждения медная труба располагается в виде спирали, необходимая длина рассчитывается по формуле вычисления площади с делением на сечение. Объем теплообменного бака рассчитывается исходя из реализации эффективного теплообмена, обычное среднее значение — около 120 л. Для теплового насоса рационально использовать трубы для кондиционеров, которые изначально имеют спиральную форму и реализуются в бухтах.
Рис. З Медная труба и бак для теплообменника
Данный способ конструкции теплообменников многие изготовители тепловых насосов своими руками заменили на более компактный, используя теплообмен по принципу «труба в трубе». Стандартный диаметр пластиковой трубы для испарителя — 32 мм., в нее помещается медная труба диаметром 19 мм., испаритель термоизолируется, общая длина теплообменника около 10 — 12 м. Для конденсатора можно использовать 25 мм. металлопластиковую трубу и 12,7 мм. медную.
Рис 4. Сборка и внешний вид теплообменника из медных и пластиковых труб
Для увеличения площади и эффективности работы теплообменника некоторые умельцы скручивают косу из нескольких медных труб малого диаметра, перекладывают их тонкой проволокой и помещают конструкцию в пластик. Это позволяет получить на 10-метровом отрезке площадь теплообмена около 1 кубического метра.
Терморегулирующий вентиль
Правильно подобранное устройство регулирует степень заполнения испарителя и в большой степени отвечает за производительность всей системы. К примеру, если поступление хладагента слишком велико, он не успеет полностью испариться, и в компрессор будут попадать капли жидкости, приводящие к нарушению его работы и понижению температуры газа на выходе. Слишком малое количество фреона в испарителе после увеличения температуры в компрессоре будет недостаточно для прогрева необходимого объема воды.
Рис. 5 Основное оборудование для теплонасоса
Датчики
Для удобства пользования, контроля работы, обнаружения неисправностей и настройки системы необходимо наличие встроенных температурных датчиков. Информация важна на всех этапах функционирования системы, только с ее помощью по формулам можно установить важнейший параметр смонтированного оборудования для водяных тепловых насосов — показатель эффективности СОР.
Насосное оборудование
При работе тепловых насосов забор и подача воды из скважины, колодца или открытого водоема происходит при помощи водяных помп. Могут использоваться погружные или поверхностные виды, обычно их мощность невелика, для подачи воды достаточно 100 — 200 Вт. Для контроля работы, защиты насосов и системы дополнительно монтируются фильтры, манометр, водяные счетчики и простейшая автоматика.
Рис. 6 Внешний вид собранного своими руками теплонасоса
Сборка теплового насосного оборудования своими руками не представляет больших трудностей при умении обращаться со специальным инструментом для сварки и пайки меди. Выполненная работа поможет сэкономить значительные средства – затраты на комплектующие составят около 600 у. е., покупка промышленного оборудования обойдется в 10 раз дороже (около 6000 у. е.). Собранная своими руками конструкция при правильном расчете и настройке имеет эффективность (СОР) около 4, что соответствует промышленным образцам.
Тепловая мощность теплового насоса воздух-вода (ТН), иначе – количество извлекаемого из окружающей среды возобновляемого тепла, прямо пропорционально температуре наружного воздуха. Чем холоднее воздух, тем затратнее извлечение из него тепла. Коэффициент преобразования COP меняется в зависимости от температур внешней среды: чем ниже температура «за бортом», тем больше энергии потребляет воздушный тепловой насос.
Определение мощности и выбор теплового насоса – дело достаточно сложное. Обычно реальные цифры и диаграммы производительности поставляются заводами – производителями тепловых насосов, как и специальное программное обеспечение для расчета и подбора оборудования. Здесь вводятся данные для конкретного объекта, расположенного в конкретном температурном регионе.
Тепловой насос: тепловая мощность для обогрева и ГВС
Разберем, от каких факторов зависит мощность ТН и, соответственно, стоимость блоков ТН, а также эффективность его работы.
Радиаторы или теплые полы
Система отопления с тепловым насосом обычно реализуется на базе радиаторной разводки и/или системы с теплыми полами, стенами или с системой фанкойлов. При этом температура нагрева теплоносителя отличается от 35-45 °C – для теплых полов, до 65-75 °C и выше – для системы радиаторов, что сказывается на величине мощности ТН. Чем ниже температура теплоносителя в системе отопления, тем меньше расход электроэнергии, меньше тепловая мощность, дешевле оборудование. Для модернизации систем отопления с радиаторами при замене затратных газовых котлов могут устанавливаться высокотемпературные воздушные теплонасосы с нагревом теплоносителя до 80 °C. Например – тепловые насосы Hitachi YUTAKI S 80. Даже при условии нагрева теплоносителя до 65 и выше градусов, такая система в несколько раз экономнее газового котла.
Схема реализации: только ТН, ТН + резервный котел
ТН. Если работает только тепловой насос, он должен полностью решать задачи по теплоснабжению и нагреву воды, в пиковые моменты подключая встроенный электрический нагреватель.
ТН+котел. Если ранее установлен газовый или пеллетный котел, он может взять на себя часть пиковых нагрузок и уменьшить общие энергозатраты теплового насоса.
Существуют различные схемы работы ТН, подбираемые для каждого объекта индивидуально: моноэнергетическая (только на электричестве), моновалентная (ТН+ТЭН) или бивалентная (ТН+котел). Оптимальная температура, экономически выгодная для перехода на резервный источник тепла, называется «точкой бивалентности». Для г. Киева и региона – это -7 °C.
Теплоизоляция здания
Подбирая тепловой насос для отопления дома, следует знать, что для более утепленного дома потребуется в разы меньше тепла, чем для строения без проведения работ по термомодернизации. Значения теплопотерь (удельных тепловых нагрузок) для различных типов зданий приведены в таблице.
Отсюда видно, что для возмещения теплопотерь помещения в 100 м2 в хорошо утепленном доме потребуется:
Q Н = 50 Вт/м2 х 100 м2 = 5000 Вт или 5 кВт тепловой мощности.
Расчетные значения теплопотерь приводятся исходя из расчетной минимальной температуры, к примеру, для Киевского региона это -22 °C.
Соответственно, для плохо утепленного дома получим:
Q Н = 200 Вт/м2 х 100 м2 = 20 000 Вт или 20 кВт тепловой мощности.
Такая разница: 5 кВт и 20 кВт, заставляет предпринять шаги для проведения термомодернизации (утепления) здания, а после этого выбрать более доступный по цене и экономный по затратам тепловой насос.
Тепловые насосы для отопления и нагрева воды (ГВС)
При выборе теплового насоса для частного дома обычно учитывают и работу ТН на нагрев воды для кухни, ванной или душевых. При этом учитывают суточное распределение нагрузок. Чаще пользуются горячей водой вечером или утром, а в зимнее время к этим нагрузкам присоединяется и работа ТН на отопление. Обычно у теплонасосных систем более приоритетными являются задачи горячего водоснабжения, а потом отопления, расчет ведут исходя из суммарных тепловых нагрузок: на отопление и ГВС.
Для определения тепловой мощности ТН для нагрева воды для бытовых нужд пользуются нормативными данными по потреблению воды определенной температуры и суммарному теплопотреблению, исходя из количества людей, проживающих в доме.
Для одного человека примем норму в 50 литров воды с температурой 45 °C, что соответствует норме потребления 0,25 кВт тепловой мощности.
Получаем, что для семьи из четырех человек, проживающих в частном доме 100 м2, необходима тепловая мощность:
Q W = 0,25 кВт/чел * 4 чел. = 1,0 кВт
Теперь можно провести усредненный расчет тепловой мощности с учетом суммарных нагрузок на нагрев теплоносителя для системы отопления и нагрев воды для бытовых нужд.
Суммарная тепловая мощность на обогрев и ГВС для качественно утепленного дома:
Q СУМ = Q Н + Q W = 5 кВт+ 1 кВт = 6 кВт.
Суммарная тепловая мощность для системы отопления и ГВС для плохо утепленного дома:
Q СУМ = Q Н + Q W = 20 кВт+ 1 кВт = 21 кВт.
А для условий «точки бивалентности», когда на улице -7 °C, и необходимо поддержать +20 °C внутри дома 100 м2, потребуется с учетом разницы температур:
Q расч.. = 6 * (20-(-7))/(20-(-22)) = 6 * 27 / 42 = 3,86 кВт тепла от теплового насоса.
И во втором примере, — для здания без теплоизоляции, необходимо:
Q расч.. = 21 * (20-(-7))/(20-(-22)) = 21 * 27 / 42 = 13,5 кВт тепла от теплового насоса.
Исходя из этих данных, с учетом температуры «точки бивалентности» и с запасом по мощности, из модельного ряда выбирают близкое большее значение тепловой мощности теплового насоса.
Что учитывает запас по мощности?
- Перепады температуры входящей воды. Всем известно, что водопроводная вода зимой намного холоднее и перепад температур входящей / выходящей из ТН воды зимой больше.
- Необходимость догрева воды до нужной температуры в баке – накопителе, если она из него долго не используется.
- Увеличенный расход горячей воды и ее нагрев до более высокой температуры зимой.
По таблицам, предлагаемым производителем, исходя из температуры воды на выходе и температуры воздуха снаружи, по мощности подбирается комплект внутреннего блока и соответствующего ему наружного блока теплового насоса. Пример – таблица технических данных для высокоэффективных тепловых насосов воздух-вода серии Hitachi Yutaki S. Для полученных расчетных данных подойдет модель с производительностью по теплу около 5,0 кВт.
Отчего зависит стоимость теплового насоса?
Чем мощнее тепловой насос, тем выше его цена.
Как снизить стоимость теплового насоса?
- Правильно и квалифицированно выполнить расчеты и подбор оборудования.
- Утеплить здание.
- Минимизировать теплопотери через окна и вентиляцию.
- Установить низкотемпературные теплые полы или фанкойлы или смешанную систему (радиаторы + теплые полы, фанкойлы + теплые полы).
- Применить бивалентную схему ТН + котел для снижения нагрузки на ТН.
- Принять участие в программе IQ energy и сэкономить до 35 % стоимости оборудования и монтажа.
Более точный подбор теплового насоса, чтобы избежать лишних затрат или убытков, лучше доверить профессионалам.
Чтобы правильно подобрать тепловой насос, цены на который и на услуги монтажа были бы разумными и оправданными, обращайтесь к компетентным опытным специалистам компании АКЛИМА. Мы имеем огромный опыт внедрения современных теплонасосных систем и предлагаем качественные услуги по монтажу и сервису такого оборудования по всей Украине.
В данной статье описаны варианты отопления дома и горячего водоснабжения с помощью теплового насоса, солнечного коллектора и кавитационного теплогенератора. Дана приближенная методика расчета теплового насоса и теплогенератора. Приведены примерная стоимость затрат для обогрева дома с помощью теплового насоса.
Тепловой насос. Конструкция обогрева дома
Чтобы понять его принцип действия можно посмотреть на обычный бытовой холодильник или кондиционер.
Современные тепловые насосы используют для своей работы низкопотенциальные источники тепла землю, грунтовые воды, воздух. И в холодильнике и в тепловом насосе действует один и тот же физический принцип (физики называют такой процесс циклом Карно ). Тепловой насос - устройство, которое «выкачивает» тепло из холодильной камеры и выбрасывает его на радиатор. Кондиционер «выкачивает» тепло из воздуха комнаты и выбрасывает ее на радиатор, но находящийся на улице. При этом к теплу, «высосанному» из комнаты, добавляется ещё тепло, в которое превратилась электрическая энергия, потреблённая электродвигателем кондиционера.
Число, выражающее отношение вырабатываемой тепловым насосом (кондиционером или холодильником) тепловой энергии к потребляемой им электрической энергии, специалисты по тепловым насосам называют «отопительным коэффициентом». В лучших тепловых насосах отопительный коэффициент достигает 3-4. То есть на каждый потреблённый электродвигателем киловатт-час электроэнергии вырабатывается 3-4 киловатт-часа тепловой энергии. (Один киловатт-час соответствует 860 килокалориям.) Этот коэффициент преобразования (отопительный коэффициент) напрямую зависит от температуры источника тепла, чем выше температура источника, тем больше коэффициент преобразования.
Кондиционер берёт эту тепловую энергию из воздуха улицы, а большие тепловые насосы «выкачивают» это дополнительное тепло обычно из водоема/подземных вод или грунта.
Хотя температура этих источников гораздо меньше, чем температура воздуха в обогреваемом доме, но и это низкотемпературное тепло грунта или воды, тепловой насос и превращает в высокотемпературное , необходимое для обогрева дома. Поэтому тепловые насосы называют ещё «трансформаторами тепла». (процесс превращения см. ниже)
Примечание: Тепловые насосы не только согревают дома, но и остужают воду в реке, из которой выкачивают тепло. А в наше время, когда реки слишком перегреты промышленными и бытовыми стоками, охлаждать реку очень полезно для жизни в ней живых организмов и рыбы. Чем ниже температура воды, тем больше в ней может раствориться кислорода, необходимого для рыбы. В тёплой воде рыба задыхается, а в холодной блаженствует.Поэтому тепловые насосы очень перспективны в деле спасения окружающей среды от "теплового загрязнения ".
Но установка системы отопления с помощью тепловых насосов пока слишком дорога, потому что требуются большое количество земляных работ плюс расходных материалов, например, труб для создания коллектора/теплообменника.
Так же стоит помнить что в тепловых насосах, как и в обычных холодильниках, используется компрессор, сжимающий рабочее тело - аммиак или фреон. На фреоне тепловые насосы работают лучше, но фреон уже запрещён к применению из-за того, что он, попадая в атмосферу, выжигает в её верхних слоях озон, защищающий Землю от ультрафиолетовых лучей Солнца.
И все-таки мне кажется, что будущее за тепловыми насосами. Но их, никто пока не производит массово. Почему? Не трудно догадаться.
Если появляется альтернативный источник дешевой энергии, то куда девать добываемый газ, нефть и уголь, кому его продавать. А на что списывать многомиллиардные убытки от взрывов на шахтах и рудниках.
Принципиальная схема обогрева дома с помощью теплового насоса
Принцип действия теплового насоса
В качестве источника низкопотенциального тепла может выступать наружный воздух, имеющий температуру от -15 до +15°С, воздух отводимый из помещения с температурой 15-25°С, подпочвенные (4-10°С) и грунтовые (более 10°C) воды, озерная и речная вода (0-10°С), поверхностный (0-10°С) и глубинный (более 20 м) грунт (10°С). В Нидерландах, например, в городе Херлен (Heerlen) для этих целей используется затопленная шахта. Вода, наполняющая старую шахту, на уровне 700 метров имеет постоянную температуру в 32°C.
В случае использования в качестве источника тепла атмосферного или вентиляционного воздуха, система отопления работает по схеме «воздух-вода». Насос может быть расположен внутри или снаружи помещения. Воздух подается в его теплообменник с помощью вентилятора.
Если в качестве источника тепла используются грунтовые воды, то система работает по схеме «вода-вода». Вода подается из скважины с помощью насоса в теплообменник насоса, а после отбора тепла, сбрасывается либо в другую скважину, либо в водоем. В качестве промежуточного теплоносителя можно использовать антифриз или тосол. Если в качестве источника энергии выступает водоем, на его дно укладывается петля из металлопластиковой или пластиковой трубы. По трубопроводу циркулирует раствор гликоля (антифриз) или тосола который через теплообменник теплового насоса передает тепло фреону.
При использовании в качестве источника тепла грунта, система работает по схеме «грунт-вода». Возможны два варианта устройства коллектора - вертикальный и горизонтальный.
- При горизонтальном расположении коллектора, металлопластиковых трубы укладывают в траншеи глубиной 1,2-1,5 м или в виде спиралей в траншеи глубиной 2-4 м. Такой способ укладки позволяет значительно уменьшить длину траншей.
Схема теплового насоса при горизонтальном коллекторе со спиральной укладкой труб
1 - тепловой насос; 2 - трубопровод, уложенный в земле; 3 - бойлер косвенного нагрева; 4 - система отопления «теплый пол»; 5 - контур подачи горячей воды.
Однако при укладке спиралью сильно увеличивается гидродинамическое сопротивление, что приводит к дополнительным затратам на прокачку теплоносителя, так же сопротивление увеличивается по мере увеличения длины труб.
- При вертикальном расположении коллектора трубы укладывают в вертикальные скважины на глубину 20-100 м.
Схема вертикального зонда
Фото зонда в бухте
Установка зонда в скважину
Расчет горизонтального коллектора теплового насоса
Расчет горизонтального коллектора теплового насоса.
q - удельный теплосъем (с 1 м пог. трубы).
- сухой песок - 10 Вт/м,
- сухая глина - 20 Вт/м,
- влажная глина - 25 Вт/м,
- глина с большим содержанием воды - 35 Вт/м.
Между прямой и обратной петлей коллектора появляется разность температур теплоносителя.
Обычно для расчета ее принимают равной 3°С. Недостатком такой схемы является то, что на участке над коллектором не желательно возводить строений, чтобы тепло земли пополнялось за счет солнечной радиации. Оптимальная дистанция между трубами считается 0,7-0,8 м. При этом длина одной траншеи выбирается от 30 до 120 м.
Пример расчета теплового насоса
Я приведу примерный расчет теплового насоса для нашего экодома, описанного в статье .
Считается, что для обогрева дома с высотой потолка 3 м, необходимо расходовать 1 кВт. Тепловой энергии на 10 м2 площади. При площади дома 10х10м=100 м2, необходимо 10кВт тепловой энергии.
При использовании теплого пола, температура теплоносителя в системе, должна быть 35°С, а минимальная температура теплоносителя - 0°С.
Таблица 1. Данные теплового насоса Thermia Villa.
Для обогрева здания нужно выбирать тепловой насос мощностью 15,6 кВт (ближайший больший типоразмер), расходующий на работу компрессора 5 кВт. Выбираем по типу грунта теплосъем с поверхностного слоя грунта. Для (влажной глины) q равняется 25 Вт/м.
Рассчитаем мощность теплового коллектора:
Qo=Qwp-P, где
Qo - мощность теплового коллектора , кВт;
Qwp - мощность теплового насоса , кВт;
P - электрическая мощность компрессора , кВт.
Требуемая тепловая мощность коллектора составит:
Qo=15,6-5=10,6 кВт;
Теперь определим суммарную длину труб:
L=Qo/q, где q - удельный (с 1 м. пог. трубы) теплосъем, кВт/м.
L=10,6/0,025 = 424 м.
Для организации такого коллектора потребуется 5 контуров длиной по 100 м. Исходя из этого, определим необходимую площадь участка для укладки контура.
A=Lхda, где da - расстояние между трубами (шаг укладки), м.
При шаге укладки 0,75 м необходимая площадь участка составит:
А=500х0,75=375 м2.
Расчет вертикального коллектора
При выборе вертикального коллектора, бурят скважины глубиной от 20 до 100 м. В них погружаются U-образные металлопластиковые или пластиковые трубы. Для этого в одну скважину вставляется две петли, которые заливается цементным раствором. Удельный теплосъем такого коллектора составляет 50 Вт/м.
Для более точных расчетов применяют следующие данные:
- 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.
На глубинах более 15 м, температура грунта составляет примерно +10°С. Необходимо учитывать, что расстояние между скважинами должно быть больше 5 м. Если в грунте существуют подземные течения, то скважины необходимо бурить перпендикулярной потоку.
Пример: L=Qo/q=10,6/0,05=212 м.
Таким образом, при удельном теплосъеме вертикального коллектора 50 Вт/м и требуемой мощности 10,6 кВт длина трубы L должна составить 212 м.
Для устройства коллектора необходимо пробурить три скважины глубиной по 75 м. В каждой из них размещаем по две петли из металлопластиковой трубы всего - 6 контуров по 150 м.
Работа теплового насоса при работе по схеме «Грунт-вода»
Трубопровод укладывается в землю. При прокачивании через него теплоносителя, последний нагревается до температуры грунта. Дальше по схеме вода поступает в теплообменник теплового насоса и отдает все тепло во внутренний контур теплового насоса.
Во внутренний контур теплонасоса закачан хладагент под давлением. В качестве хладагента используется фреон или его заменители, поскольку фреон разрушает озоновый слой атмосферы и запрещен к использованию в новых разработках. У хладагента низкая температура кипения и поэтому когда в испарителе резко снижается давление, он переходит из жидкого состояния в газ при низкой температуре.
После испарителя газообразный хладагент поступает в компрессор и сжимается компрессором. При этом он разогревается, и давление его повышается. Горячий хладагент поступает в конденсатор, где протекает теплообмен между ним и теплоносителем из обратного трубопровода. Отдавая свое тепло, хладагент охлаждается и переходит в жидкое состояние. Теплоноситель поступает в отопительную систему и снова охлаждаясь, передает свое тепло в помещение. Когда хладагент проходит через редукционный клапан ,его давление падает, и он снова переходит в жидкую фазу. После этого цикл повторяется.
В холодное время года теплонасос работает как обогреватель, а в жаркое время может использоваться для охлаждения помещения (при этом тепловой насос не подогревает, а охлаждает теплоноситель - воду. А охлажденная вода, в свою очередь может использоваться для охлаждения воздуха в помещении).
В общем случае, теплонасос представляет собой машину Карно, работающую в обратном направлении. Холодильник перекачивает тепло из охлаждаемого объема в окружающий воздух. Если поместить холодильник на улице, то, извлекая тепло из наружного воздуха и передавая его вовнутрь дома, то можно таким нехитрым способом, в какой-то степени, обогревать помещение.
Однако, как показывает практика, одного лишь теплового насоса для снабжения дома теплом и горячей водой недостаточно. Осмелюсь предложить оптимальную, на мой взгляд, схему отопления и горячего водоснабжения дома.
Предлагаемая схема снабжения дома теплом и горячей водой
1 - теплогенератор; 2 - солнечный коллектор; 3 - бойлер косвенного нагрева; 4 - тепловой насос; 5 - трубопровод в земле; 6 - циркуляционный блок гелиосистемы; 7 - радиатор отопления; 8 - контур подачи горячей воды; 9 - система отопления «теплый пол».
Данная схема предполагает одновременное использование трех источников тепла. Основную роль играет в ней теплогенератор (1), тепловой насос (4) и солнечный коллектор (2), которые служат вспомогательными элементами и способствуют снижению затрат потребляемой электроэнергии, как следствие, и повышению эффективности нагрева. Одновременное использование трех источников нагрева практически полностью исключает опасность размерзания системы .
Ведь вероятность выхода из строя одновременно и теплогенератора, и теплового насоса, и солнечного коллектора ничтожно мала. На схеме показаны два варианта обогрева помещений: радиаторы (7) и «теплый пол» (9). Это не значит, что надо использовать оба варианта, а лишь иллюстрирует возможность использования и одного и второго.
Принцип работы схемы отопления
Теплогенератор (1) подает нагретую воду в бойлер (3) и контур, состоящий из радиаторов отопления (7). Также в бойлер поступает нагретый теплоноситель от теплового насоса (4) и солнечного коллектора (2). Часть нагретой тепловым насосом воды также подается на вход теплогенератора. Смешиваясь с «обраткой» обогревающего контура, она повышает ее температуру. Это способствует более эффективному нагреву воды в кавитаторе теплогенератора. Нагретая и накопленная в бойлере вода подается в контур системы «теплый пол» (9) и контур подачи горячей воды (8).
Конечно, эффективность данной схемы будет неодинаковой в различных широтах. Ведь солнечный коллектор будет иметь наибольшую эффективность в летнее время года и, конечно же, в солнечную погоду. В наших широтах летом отапливать жилые помещения нет необходимости, поэтому теплогенератор можно вообще отключить. А так как лето у нас довольно жаркое и мы уже с трудом представляем свой быт без кондиционера, то тепловой насос предполагается включить на режим охлаждения. Естественно трубопровод, идущий от теплового насоса к бойлеру, будет перекрыт. Таким образом решать задачу горячего водоснабжения предполагается только с помощью гелиосистемы. И лишь в случае, если гелиосистема не справляется с этой задачей, использовать теплогенератор.
Как видим, схема довольно сложная и дорогостоящая. Общие приблизительные затраты в зависимости от выбранной схемы приведены ниже.
Затраты для вертикального коллектора:
- Тепловой насос 6000 €;
- Буровые работы 6000 €;
- Эксплуатационные расходы (электричество): около 400 € в год.
Для горизонтального коллектора:
- Тепловой насос 6000 €;
- Буровые работы 3000 €;
- Эксплуатационные расходы (электричество): около 450 евро в год.
Из крупных затрат потребуются расходы на закупку труб и на оплату труда рабочих.
Установка плоского солнечного коллектора (например, Vitosol 100-F и водонагревателя 300 л) обойдется в 3200 €.
Поэтому давайте, пойдем от простого к сложному. Сначала соберем простую схему отопления дома на основе теплогенератора, отладим ее, и постепенно будем добавлять в неё новые элементы, позволяющие увеличивать КПД установки.
Соберем систему отопления по схеме:
Схема теплоснабжения дома с использованием теплогенератора
1 - теплогенератор; 2 - бойлер косвенного нагрева; 3 - система отопления «теплый пол»; 4 - контур подачи горячей воды.
В итоге мы получили простейшую схему теплоснабжения дома, Я поделился своими мыслями для того, что бы побудить инициативных людей к развитию альтернативных источников энергии. Если у кого-то возникнут идеи или возражения по поводу написанного выше, давайте делиться мыслями, давайте накапливать знания и опыт в данном вопросе, и мы сбережем нашу экологию и сделаем жизнь немножко лучше.
Как видим здесь основной и единственный элемент, нагревающий теплоноситель, - это теплогенератор. Хотя в схеме и предусмотрен лишь один источник нагрева, она предусматривает возможность дальнейшего добавления дополнительных нагревательных устройств. Для этого предполагается использование бойлера косвенного нагрева с возможностью добавления или извлечения теплообменников.
Использование радиаторов отопления, имеющихся в схеме, изображенной на рисунке на один выше, не предполагается. Как известно система «теплый пол» более эффективно справляется с задачей обогрева помещений и позволяет экономить затрачиваемую энергию.
Внимание: Цены актуальны на 2009 год.
Когда мы разрабатывали наш тепловой насос, концепция была создать в первую очередь надежный, предназначенный для длительного использования агрегат. При этом тепловой насос должен быть понятен конечному заказчику при его эксплуатации, должен работать в «неидеальных» режимах (если такие случаются, например, при неправильном расчете первичного источника низкопотенциального тепла или поломке зонда) и обогревать дом зимой до наступления тепла. Тепловой насос должен иметь все необходимые защиты, чтобы ошибки при монтаже или последующей эксплуатации не могли вывести его из строя. З ащит в нашем тепловом насосе - двенадцать. По току, тепловая, по перегреву, переохлаждению, по температуре (2 шт.), противоцикличная, по низкому давлению, по высокому давлению, температурная защита обмотки двигателя, контроль питающей сети. Наш тепловой насос Henk понятен и установщикам и прост в эксплуатации. Мы не берем деньги за «подключение». Многие наши заказчики устанавливают его своими силами или силами своих сантехников, консультируясь с нами. При этом наши гарантийные обязательства сохраняются.
Формирование цены на тепловой насос Henk
Как производителю тепловых насосов, нам достаточно легко предоставляют максимальные скидки на узлы и комплектующие поставщики и производители. Не сложно уменьшить цену на тепловые насосы Henk, на 30 – 70 тысяч рублей, в зависимости от модели, за счет более дешевых комплектующих, при этом прибыль, которую мы закладываем, не изменится. Мы принципиально не идем по этому пути, ведя разъяснительную работу. Так же мы стараемся продавать наши изделия надежным установщикам, которые честно выполняют свою работу, не думающие только о сиюминутной прибыли, экономя на всем, на чем возможно. К счастью черный список очень невелик. Мы придерживаемся простого и честного правила – хвали свое и не ругай чужое. Мы ни с кем не конкурируем. У нас свой заказчик и своя дорога. По цене тепловые насосы Henk располагаются между Китайскими и Европейскими, но изготовлены на точно таких же компрессорах и теплообменниках, что и Европейские насосы. Отметим, что мощности теплообменников в наших тепловых насосах, на 20 -30 % выше необходимой, это компенсирует потерю теплопроводности незамерзающих жидкостей, в сравнении с водой.
Сборка тепловых насосов
Сборке наших тепловых насосов мы уделяем особое внимание. Полтора – два года уходит на «выращивание» работника, который понимает весь процесс. И слово КАЧЕСТВО, для такого работника, не пустой звук. Тепловые насосы проходят вакуумирование, осушение и опрессовку фреонового контура, который практически весь паяется, для уменьшения возможных течей хладогента. Оставшиеся четыре резьбовых соединения-стальные и обжимаются специальным прессом.
Нержавеющие теплообменники паяются припоем с 40% содержанием серебра. Труба медная известных марок с толстой стенкой. Утеплитель - вспененный каучук (Германия). Самая горячая верхняя часть компрессора также утеплена. В силовые питающие цепи мы так же устанавливаем лучшие комплектующие (АВВ, Шнайдер и др). Слаботочная автоматика и электронные контроллеры, производства республики Беларусь. Вся электрическая часть повторно «протягивается» перед окончательной сборкой. Все электрические кабели защищены специальными гофрированными и термоусадочными трубками. Концы проводов заделаны наконечниками. Некоторые важные электрические соединения дополнительно пропаиваются припоем. К недорогим компонентам можно отнести только аварийные светодиодные индикаторы в блоке управления, но при нормальной работе они и не должны гореть. При возникновении каких-либо проблем или выполнения дополнительных пожеланий заказчика, любые комплектующие всегда в наличии, не нужно ждать решения длительное время. Это немаловажно, особенно в сезон отопления.
Тепловой насос - управление и нормы
Работа блока управления тепловым насосом разработана так, что весь алгоритм схемы очень прост. По индикации легко понять, даже на расстоянии, что происходит с тепловым насосом. Если возникает вопрос, как правило, он решается простым телефонным звонком.
Для программирования не нужен компьютер! Понизить или повысить температуру, изменить гистерезис, откалибровать датчики - очень просто.
Тепловой насос имеет регулировку количества хладогента, поступающего в испаритель. Она позволяет очень точно отрегулировать Ваш тепловой насос именно под Ваш источник тепла (земляной коллектор, скважины или зонды) и под Ваши нагревательные приборы в доме, так как каждая система очень индивидуальна и имеет свой «характер», что позволит добиться максимальной эффективности всей системы.
Важно! Каждая модель нашего теплового насоса рекомендована для определенной отапливаемой площади, исходя из 80-100 Ватт тепла на один квадратный метр. Это позволяет учитывать наши суровые Российские зимы и некоторые ляпсусы строителей. Однако жесткие зарубежные нормы строительства позволяют тратить всего около 30 Ватт тепла на 1 кв.м. Поэтому возникает неверное представление о том, что например, наш тепловой насос Henk-120 способен отопить всего 120 кв.м, потребляя 1.7 кВт электроэнергии, а импортный насос отапливая 150 кв.м потребляет всего 1 кВт!
К слову в России, заказчику, по его менталитету, хочется в любые морозы поддерживать комфортные +25 +26 градусов С., во всем доме, в то время как европейцы готовы «потерпеть» самую холодную пятидневку в свитере.
Тюнинг и гарантии
По желанию заказчика, мы можем устанавливать частотные регуляторы. Они способны плавно пускать и останавливать компрессор. Возможна установка GSM модуля. Возможна сборка теплового насоса на компрессорах с цифровым управлением мощности всего теплового насоса, встроенным соленоидом, от 10 % до 100 %. Однако стоимость «породистого» частотного преобразователя сопоставима 1\2- 3\4 стоимости компрессора, а если установить дешевый, возникает вопрос о надежности всей системы.
Зимой, в мороз достаточно короткого промежутка времени, чтоб разморозить всю систему. Некоторые заказчики думают о некой экономии, о понижении температуры в их отсутствие (например, если на дачу приезжают только на выходные). Так вот, если подсчитать, что компрессору придется в четверг – пятницу работать больше, после «отдыха» в понедельник-вторник, плюс обслуживание GSM
-карты, выходит, что разницы нет вообще. Моё личное мнение – GSM
модуль очень полезная опция! Однако его можно поставить совсем простым (например, 4-х зонным), для контроля наличия напряжения питания во всем доме, контроля общей температуры, проникновения в жилище... В любом случае придется
кому-то
ехать, и устранять причину. Для серьёзного тюнинга существуют очень надежные фирменные блоки контроля и управления. Любителей умных и сложных систем хватает. Но не следует забывать, что отапливают помещения всего три узла…. компрессор и два теплообменника.
Когда гарантийный срок у теплового насоса заканчивается, возникает вопрос как дорог и сложен ремонт? Ответственно могу заявить, что отремонтировать весь блок управления теплового насоса Henk , сможет практически любой человек. Цена деталей теплового насоса незначительна. Мы просто подскажем, как это сделать.
С уважением, Савостьянов Игорь Юрьевич
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Санкт-Петербургский государственный экономический университет
Институт сервиса автотранспорта, коммунальной и бытовой техники
Кафедра «Машины и оборудование бытового и жилищно-коммунального назначения»
КУРСОВАЯ РАБОТА
на тему: Расчет тепловых насосов
по дисциплине: «Бытовые машины и приборы»
Работу выполнил: Мельник А.О.
Работу проверил: Лепеш Г.В.
Санкт-Петербург - 2014 г.
1. Источники тепла. Геотермальные тепловые насосы
2. Принцип действия теплового насоса
3. Пять преимуществ тепловых насосов перед традиционными видами отопления
4. Эффективность применения теплового насоса
5. Сравнение текущих расходов на отопление для населения по состоянию на август 2008
6. Капитальные затраты
7. Некоторые справочные данные
8. Примеры для расчета
1. Источники тепла. Геотермальные тепловые насосы
Как известно, геотермальные 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 3-7.
Говоря более точно, источниками низкопотенциального тепла могут быть наружный воздух температурой от -15 до +15 °С, отводимый из помещения воздух (15-25 °С), подпочвенные (4-10 °С) и грунтовые (более 10 °C) воды, озерная и речная вода (0-10 °С), поверхностный (0-10 °С) и глубинный (более 20 м) грунт (10 °С).
Если в качестве источника тепла выбран атмосферный или вентиляционный воздух, применяются тепловые насосы, работающие по схеме «воздух-вода». Насос может быть расположен внутри или снаружи помещения. Воздух подается в его теплообменник с помощью вентилятора.
При использовании в качестве источника тепла грунтовой воды она подается из скважины с помощью насоса в теплообменник насоса, работающего по схеме «вода-вода», и либо закачивается в другую скважину, либо сбрасывается в водоем.
2. Принцип действия теплового насоса
Тепловой насос, принцип работы которого построен на цикле Карно по сути - тепловой двигатель, который, в отличие от традиционного процесса горения, позволяет обеспечивать теплоснабжение объекта за счет тепла окружающей среды или возвратного (сбросное) тепла технологических процессов. Важным фактором является чрезвычайно низкое потребление тепловым насосом энергии для своей работы - затрачивая 1 кВт электричества, тепловой насос способен генерировать 4кВт тепла. Для некоторых типов тепловых насосов этот показатель может быть и выше. Говоря иначе, принцип действия теплового насоса основан на переносе тепловой энергии от низкопотенциального источника (вода, воздух, земля) к потребителю (теплоносителю) за счет затраты энергии на преобразование рабочего тела. Схематично тепловой насос можно представить из четырех основных элементов: испарителя, компрессора, конденсатора и сбросного клапана. С рабочим контуром самого теплового насоса связаны еще два контура: первичный (внешний), в котором циркулирует рабочая среда (вода, антифриз или воздух), отбирающая тепло окружающей среды (земля, воздух, вода), и вторичный - вода в системах отопления и горячего водоснабжения.
Принцип работы тепловых насосов базируется на способности рабочего тела, которым является жидкость, способная закипать и испаряться даже при минусовой температуре (например, фреон). Температура низкопотенциального источника энергии, воспринимаемая испарителем, выше температуры кипения фреона при соответствующем давлении. Вследствие теплоотдачи фреон вскипает и переходит в газообразное состояние. Пары фреона поступают в компрессор, в котором сжимаются. При этом его давление и температура увеличивается. Затем горячий и сжатый фреон направляется в конденсатор, охлаждаемый теплоносителем. На охлажденных поверхностях конденсатора пары фреона конденсируются, переходя в жидкое состояние, а его теплота передается теплоносителю, который в дальнейшем используется в системах отопления и горячего водоснабжения. Жидкий фреон направляется в сбросной клапан, проходя через который он снижает давление и температуру и снова возвращается в испаритель. Цикл при этом завершается и будет автоматически повторяться, пока работает компрессор.
3. Пять преимуществ тепловых насосов перед традиционными видами отопления
Экономичность - высокий коэффициент мощности - на производство 4-х кВт тепловой энергии идет 1 кВт электроэнергии, т.е. три из полученных киловатта потребителю обойдутся бесплатно - это тепло, отобранное насосом из окружающей среды. На практике это означает ежегодную экономию затрат на эксплуатацию.
Универсальность - с помощью теплового насоса можно решить не только задачу топления, но и охлаждения.
Независимость от наличия источника тепла.
Исключительная долговечность - единственный элемент, который подвергается механическому износу - это компрессор
Пожарная и экологическая безопасность - получение тепла не сопровождается процессом горения.
Источники тепла для тепловых насосов
В системах теплоснабжения объектов любого функционального назначения в качестве источников низкопотенциальной тепловой энергии могут быть использованы естественные, непрерывно возобновляемые ресурсы Земли:
Атмосферный воздух
Поверхностные водоемы и грунтовые воды
Грунт ниже глубины промерзания.
В качестве искусственных, техногенных источников низкопотенциального тепла могут выступать:
Удаляемый вентиляционный воздух
Сточные воды системы канализации
Промышленные сбросы технологических вод
Разновидности тепловых насосов
Тип теплового насоса определяется типом того источника тепла, который он использует как первичный. Напомним, что первичный источник тепла может быть как естественного, природного происхождения (грунт, вода, воздух), так и промышленного (удаляемый вентиляцией воздух, технологические и очищенные сточные воды).
Тепловые насосы типа «воздух-вода»
Окружающий атмосферный воздух особенно привлекателен для использования в качестве источника тепла, он имеется повсеместно и неограниченно. Воздушные тепловые насосы не требуют ни горизонтальных коллекторов, ни вертикальных зондов. Компактный наружный блок эффективно отбирает тепло воздуха и органично вписывается в любой интерьер. Тепловые насосы «воздух-вода» способны работать круглый год, как зимой, так и летом. Однако при температурах ниже -15С система отопления должна быть дополнена вторым отопительным прибором, например, газовым или твердотопливным котлом. Преимущество - снижение инвестиционных затрат по сравнению с другими типами тепловых насосов за счет отсутствия вспомогательных земляных работ, простота конструкции для использования в целях и отопления, и охлаждения. Недостаток - температурный лимит первичного источника тепла. Коэффициент мощности - 1,5-2.
Тепловые насосы типa «вода-вода»
Грунтовые воды - хороший аккумулятор солнечной тепловой энергии. Даже в зимний период дни они сохраняют постоянную положительную температуру (например, для Северо-Западного региона этот показатель находится на уровне +5+7°С). Однако, на наш взгляд, наилучшие перспективы применения имеют тепловые насосы, работающие на тепле сточных и технологических вод. Непрерывный водный поток, его высокий температурный уровень гарантируют постоянно высокий коэффициент мощности. Для промышленных предприятий инвестиции в теплонаносную установку сразу же, с момента запуска, обеспечат экономию средств на отопление и сократят зависимость от централизованных сетей теплообеспечения. В этом случае сбрасываемое в стоки тепло, по сути - источник дополнительного дохода, который без использования теплового насоса был бы невозможен. Преимущество - стабильность работы. Недостаток - для стабильной работы необходим постоянный поток вод удовлетворительного качества. Коэффициент мощности - 4-6.
Тепловые насосы типа «грунт-вода»
Тепловая энергия Солнца воспринимается грунтом либо непосредственно в форме радиации, либо косвенно в форме тепла, получаемого с дождем или от воздуха. Аккумулированное грунтом тепло отбирается либо вертикальным грунтовыми зондами, либо горизонтально проложенными грунтовыми коллекторами. Насосы этого типа также называют геотермальными тепловыми насосами. Преимущество - стабильность работы и самый высокий теплосъем среди всех типов тепловых насосов. Недостаток - относительно высокая стоимость буровых работ в случае геотермального теплового насоса и большая площадь для размещения горизонтальных грунтовых коллекторов (при потребности в тепле около 10 кВт и сухом глинистом грунте площадь коллектора должна быть не менее 450 м кв). Коэффициент мощности 3-5.
геотермальный тепловой насос отопление
4 . Эффективность применения теплового насоса
Можно сократить общий расход газа более чем в два раза, либо при наличии альтернативных источников электроэнергии отказаться от него вообще, то для конкретных объектов в настоящее время много зависит от тарифной политики государства, расположения, теплоизоляционных свойств объекта и т. д.
5 . Сравнение текущих расходов на отопление для населения по состоянию на август 2008
Тарифы: 1000 м. куб. газа -- 300 долл. США
1 квт.ч. электроэнергии -- 0,1 долл. США
Для обычного чугунного напольного котла с кпд = 0,82 из 1000 м. куб. газа получим:
1000 * 9,1 квт.ч. м. куб. * 0,82 = 7462 квт.ч. тепла
Для суперсовременного конденсационного котла с кпд = 1,05 -- 9555 квт.ч. тепла.
Для получения такого же количества тепла с помощью среднеэффективного универсального ТН нужно в первом случае:
7462 / 4,5 = 1658 квт.ч. электроэнергии стоимостью 166 долл.
во втором:
9555 / 4,5 = 2123 квт.ч., стоимостью 212 долл.
Уменьшение затрат по сравнению со стоимостью газа (300 долл.) соответственно:
(300 - 166) / 300 -- 45%
(300 - 212) / 300 -- 29%
США (Вермонт)
1000 м. куб. -- 350 долл.
1 квт.ч. электроэнергии -- 0,12 долл.
Экономия 27--43%.
Беларусь
1000 м. куб. -- 141 600 руб. = 66 долл.
1 квт.ч. электроэнергии -- 74,7 руб. = 0,0349 долл.
Это если использовать утвержденные 2007 г. во многих странах дифференцированные по времени тарифы, т.е. отключать ТН в периоды максимальных нагрузок энергосистемы с 8.00 по 11.00 и с 19.00 по 22.00, что реально с использованием аккумуляторов тепла. Экономия по сравнению с обычным газовым котлом - всего до 12%. Но это сегодня. Ситуация когда газ продается по 200-230$ не может продолжаться долго. Вероятно что-то подобное будет введено и в Молдове.
6 . Капитальные затраты
Стоимость самого теплового насоса значительно выше стоимости газового котла, что впрочем не сильно изменит общую смету при новом строительстве приличного коттеджа. Цены практически сравниваются при необходимости строительства 200--300 м. газопровода. Если строится не временный фанерный домик, а капитальное строение для детей и внуков, будет некрасиво оставить им в наследство зависимость от давления в газовой трубе. Уж что-что, а электричество в стране будет всегда. А вот с газом могут возникнуть проблемы уже в ближайшем будущем. Знаменитый монополист Газпром, имеющий десятки миллиардов долларов долгов, не от хорошей жизни стремительно повышает цены на газ не только для ближайших союзников, но и для внутрироссийских потребителей. Просто не на что производить разведку и освоение новых месторождений, латать построенные еще при СССР трубопроводы. Особенно когда его основные доходы от экспорта газа в Европу через Украину тихо уплывают в неизвестном направлении через швейцарских учредителей фирмы-экспортера «УкрГазэнерго» и никого в Молдове это не волнует. Других же поставщиков у нас нет и не предвидится.
7 . Некоторые справочные данные
Справочные данные.
1. Прогноз цен на природный газ:
2. Ориентировочная зависимость необходимой теплопроизводительности ТН от площади дома с хорошими теплоизоляционными свойствами:
В каждом конкретном случае производится индивидуальный расчет по теплопотерям здания. Для уменьшения капитальных затрат часто ТН используют в бивалентном режиме. Параллельно ему устанавливается, или при реконструкции оставляется дополнительный пиковый нагреватель на любом виде топлива, который включается в работу в самые холодные дни, каких у нас не так уж много. По данным Гидрометеоцентра усредненная температура по Молодовы для января - 4,8°С, для периода декабрь - февраль - 4,0°С. В самый холодный год за всю историю наблюдений (2006) она составила - 8,6 ... - 5,7°С в те же периоды.
При таком подключении ТН может либо отключаться, если он становится неэффективным (например «воздух--вода» при больших отрицательных температурах наружного воздуха), либо работать
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.
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:
Здесь q - удельный (с 1 м трубы) теплосъем; da - расстояние между трубами (шаг укладки).
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.
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.
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 ры 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?
Расчет необходимой тепловой мощности
Принятые обозначения.
V - Объем обогреваемого помещения (ширина, длина, высота) - Mі
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.
Пример расчета тепловой мощности
V = ширина 4м, длина 12м, высота 3м = Объем обогреваемого помещения = 144 мі. (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
Теперь можно приступить к выбору модели теплового насоса
Примечание. Используемые в климатической технике единицы измерения мощности (производительности) связаны между собой соотношениями:
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 |
|||||
|
1050 - 1300 мі |
|||||
|
1350 - 1600 мі |
|||||
|
2100 - 2500 мі |
1400 - 1650 мі |
||||
|
2600 - 3300 мі |
1700 - 2200 мі |
||||
|
3400 - 4100 мі |
2300 - 2700 мі |
||||
|
4200 - 5000 мі |
2800 - 3300 мі |
||||
|
5000 - 6500 мі |
3400 - 4400 мі |
Выводы
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.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Принцип работы бытовых и хозяйственных тепловых насосов. Конструкция и принципы работы парокомпрессионных насосов. Методика расчета теплообменных аппаратов абсорбционных холодильных машин. Расчет тепловых насосов в схеме сушильно-холодильной установки.
диссертация , добавлен 28.07.2015
Насосы - гидравлические машины, предназначенные для перемещения жидкостей. Принцип действия насосов. Центробежные насосы. Объемные насосы. Монтаж вертикальных насосов. Испытания насосов. Применение насосов различных конструкций. Лопастные насосы.
реферат , добавлен 15.09.2008
Затраты на отопление и теплоснабжение, выбор между централизованным и автономным видом отопления. Фактические данные по расходу электроэнергии на отопление тепловыми гидродинамическими насосами. Принцип работы и преимущества гидродинамического насоса.
статья , добавлен 26.11.2009
Проект теплоснабжения промышленного здания в г. Мурманск. Определение тепловых потоков; расчет отпуска тепла и расхода сетевой воды. Гидравлический расчёт тепловых сетей, подбор насосов. Тепловой расчет трубопроводов; техническое оборудование котельной.
курсовая работа , добавлен 06.11.2012
Определение наиболее оптимального варианта энергосберегающего вида отопления жилых и хозяйственных помещений частного сектора на примере Республики Саха (Якутия). Анализ возможностей применения тепловых насосов для отопления в условиях данного климата.
презентация , добавлен 22.03.2017
Определение тепловых нагрузок и расхода топлива производственно-отопительной котельной; расчет тепловой схемы. Правила подбора котлов, теплообменников, баков, трубопроводов, насосов и дымовых труб. Экономические показатели эффективности установки.
курсовая работа , добавлен 30.01.2014
Классификация центробежных насосов, скорость жидкости в рабочем колесе. Расчет центробежного насоса: выбор диаметра трубопровода, определение потерь напора во всасывающей и нагнетательной линии, полезной мощности и мощности, потребляемой двигателем.
курсовая работа , добавлен 24.11.2009
Описание рабочего процесса объёмных насосов, их виды и характеристики, устройство и принцип действия, достоинства и недостатки. Конструктивные особенности и область применения насосов различных конструкций. Техника безопасности при их эксплуатации.
реферат , добавлен 11.05.2011
Назначение погружных центробежных электронасосов, анализ конструкции и установки. Сущность отечественных и зарубежных погружных центробежных насосов. Анализ насосов фирм ODI и Centrilift. Электроцентробежные насосы ЭЦНА 5 - 45 "Анаконда", расчет мощности.
курсовая работа , добавлен 30.04.2012
Классификация насосов по принципу действия. Устройство и принцип действия возвратно-поступательных насосов (поршневые, плунжерные, диафрагмовые, винтовые, шестеренные). Электроприводной поршневой насос, вычисление рабочего объема пластинчатого насоса.