Potraga za alternativnim izvorima koji obezbjeđuju energiju za mnoga područja ljudske djelatnosti u posljednje je vrijeme postala hitan zadatak. Ljudi imaju tendenciju da aktivnije koriste energiju sunca, vjetra i izvora vode kako bi smanjili troškove rješavanja problema vezanih za opskrbu zgradama toplinom. U isto vrijeme, pitanje ekologije nije od male važnosti, jer je smanjenje štetnih emisija koje zagađuju atmosferu važnije nego ikad.

Za stvaranje povoljnih i udobnih uslova za život u stambenom sektoru, posljednjih godina koriste se vjetroturbine, solarni kolektori, ekonomični generatori toplote istovremeno sa provođenjem mjera koje pomažu u povećanju toplinske izolacije objekta za opskrbu toplinom.

Prema mišljenju stručnjaka koji rade u ovoj oblasti, upotreba geotermalnih izvora toplotne energije - specijalnih pumpi - smatra se efikasnom i ekonomičnom merom. Njihov osnovni uređaj vam omogućava da izvučete toplotu iz okoline, transformišete je i premestite na mesto primene (detaljnije: "").

Izvori energije za toplinske pumpe su voda, zrak, tlo, a proces stvaranja topline nastaje zbog korištenja fizičkih svojstava određenih tvari koje se nazivaju rashladna sredstva. Oni su u stanju da ključaju čak i na niskim temperaturama.

Postupak proračuna za toplotne pumpe

Rezultat izračuna ovisi uglavnom o individualnim karakteristikama grijane zgrade i sastoji se od nekoliko faza:

1. Prije svega, oni određuju gubitak topline koji nastaje kroz omotač zgrade (to uključuje prozore, vrata, zidove, stropove). Da biste to učinili, koristite sljedeću formulu:
   
   Qoc \u003d Sx (tin - tout) x (1 + Σ β) x n / Rt (W), gdje jeS - zbir površina svih ogradnih konstrukcija (m²);
   tvn - temperatura vazduha unutar zgrade (°C);
   tout - spoljna temperatura vazduha (°C);
   
   n je koeficijent koji odražava utjecaj okolnog prostora na karakteristike strukture. Ako je prostorija u direktnom kontaktu sa vanjskim okruženjem kroz pod, onda je ovaj pokazatelj 1. Kada je objekat potkrovlje, n je 0,9. Ako se objekat nalazi iznad podruma, koeficijent je 0,75 (detaljnije: "").
   β je koeficijent dodatnog gubitka topline, ovisno o vrsti zgrade i njenom geografskom položaju. Ovaj indikator, kada se izračunava toplotna pumpa, je u rasponu od 0,05 do 0,27;Rt je indikator toplotnog otpora koji se određuje sljedećom formulom:Rt \u003d 1 / α iznutra + Σ (δí / λí) + 1 / α izvana (m²x ° C / W), gdje je:α int - koeficijent koji karakterizira toplinsku apsorpciju unutrašnjih površina ogradnih konstrukcija (W / m²x ° C);
   δí / λí - je izračunati pokazatelj toplinske provodljivosti materijala koji se koriste u građevinarstvu;
   α nar - vrijednost toplinske disipacije vanjskih površina ogradnih konstrukcija (W / m²x ° C);
2. Zatim, da biste izračunali toplotne pumpe, primijenite formulu za određivanjeukupni toplotni gubici zgrade:
   
   Qt.pot \u003d Qok + Qi - Qbp, gdje je:
   
   Qi - trošak grijanja zraka koji ulazi kroz prirodna rastresita mjesta;
   Qbp ​​je oslobađanje topline kao rezultat rada kućanskih aparata i ljudske aktivnosti.
3. U ovoj fazi izračunava se utrošena toplotna energija za svaki od objekata tokom godine:Qgodina = 24x0,63xQt. znoj.h((dh (lim - tout)/ (kalaj - tout)) kWh), gdje je:
   tout.avg - aritmetička sredina temperatura koje se bilježe na vanjskom zraku tokom cijelog perioda grijanja;
   d je broj dana u grejnoj sezoni.
4. Zatim morate odrediti toplinsku snagu potrebnu za zagrijavanje vode tokom godine, za šta se koristi izraz:
   
   Qhv \u003d V x17 (kW / sat za kalendarsku godinu), gdje
   V x17 - dnevna zapremina zagrevanja vode do 50°C.
5. Ukupna potrošnja toplotne energije određena je formulom:
   
   Q \u003d Qgw + Qgodina (kW / h za jednu godinu)

1.1 je faktor korekcije, jer kada se pojave kritične temperature, opterećenje toplinske pumpe može porasti.

Kada se izvrše potrebni proračuni, lako je odabrati toplotnu pumpu prikladnu za datu prostoriju, koja će ljudima u prostoriji omogućiti ugodnu mikroklimu.

Kako izračunati troškove grijanja seoske kuće?

Proračuni se vrše na osnovu sljedećih parametara:

Prvi parametar su operativni troškovi. Da biste odredili ove troškove, vrijedi razmotriti cijenu goriva koje će se koristiti za proizvodnju topline. Ova stavka uključuje i troškove održavanja. Najprofitabilnije u ovom parametru bit će grijanje, čiji će energetski nosač biti isporučeni glavni plin. Sljedeća po efikasnosti je TOPLOTNA PUMPA.

Drugi parametar je trošak kupovine opreme i njene instalacije. Najisplativija i najekonomičnija u fazi kupovine i ugradnje bit će kupovina električnog bojlera. Maksimalni troškovi se očekuju ako se odlučite za kupovinu kotlova, u kojima su energenti ukapljeni gas u rezervoarima za gas ili dizel gorivo. I ovdje je TOPLOTNA PUMPA optimalna.

Treći parametar treba uzeti u obzir pogodnost pri korištenju opreme za grijanje. Kotlovi na čvrsto gorivo u ovom slučaju mogu se primijetiti kao najzahtjevniji za pažnju. Oni zahtijevaju vaše prisustvo i dopunu goriva, dok električni i plinski rade samostalno. Stoga su plinski i električni kotlovi najudobniji za korištenje pri grijanju seoskih kuća. I tu je TOPLOTNA PUMPA u prednosti. Kontrola klime je najudobnija karakteristika toplotnih pumpi.

Od danas je situacija s cijenama u Moskovskoj regiji sljedeća... Priključivanje plina na privatne kuće košta oko 600.000 rubalja. To također zahtijeva rad na dizajnu i odgovarajuća odobrenja, koja se ponekad protežu godinama i također koštaju. Dodajte tu cijenu opreme i relativno kratak period nošenja (zbog čega plinari nude snažnije plinske kotlove tako da habanje i pregaranje kotla traje duže). Grijanje na toplotne pumpe je već uporedivo sa gornjom cijenom, ali ne zahtijeva nikakva odobrenja. Toplotna pumpa je običan električni kućni aparat koji troši 4 puta manje električne energije od konvencionalnog električnog bojlera, a ujedno je i uređaj za kontrolu klime, odnosno klima uređaj. Motorni resurs modernih toplotnih pumpi, pa čak i onih kvalitetnijih (premium klasa), omogućava im da rade više od 20 godina.

Dajemo primjere proračuna toplinskih pumpi za različite tipove i veličine kuća.

Prvo morate odrediti gubitak topline vaše zgrade, ovisno o regiji lokacije. Pročitajte više u "Kompletnim vijestima"

Prije svega, potrebno je odrediti snagu toplinske pumpe ili kotla, jer je to jedna od odlučujućih tehničkih karakteristika. Odabire se na osnovu veličine gubitka topline zgrade. Proračun toplinske ravnoteže kuće, uzimajući u obzir karakteristike njenog dizajna, trebao bi izvršiti stručnjak, međutim, za približnu procjenu ovog parametra, ako je zgrada kuće dizajnirana uzimajući u obzir građevinske propise, može koristiti sljedeću formulu:
Q = k V ∆T
1 kWh = 860 kcal/h
Gdje
Q - gubitak toplote, (kcal/h)
V je zapremina prostorije (dužina × širina × visina), m3;
ΔT - maksimalna razlika između temperature vazduha izvan i iz unutrašnjosti prostorije zimi, °S;
k je generalizovani koeficijent prolaza toplote zgrade;
k \u003d 3 ... 4 - zgrada od dasaka;
k \u003d 2 ... 3 - zidovi od opeke u jednom sloju;
k min-max \u003d 1 ... 2 - standardno zidanje (cigla u dva sloja);

k \u003d 0,6 ... 1 - dobro izolirana zgrada;

Primjer izračunavanja snage plinskog kotla za vaš dom:

Za zgradu zapremine V = 10m × 10m × 3m = 300 m3;

Gubitak topline zgrade od opeke (k max = 2) bit će:
Q \u003d 2 × 300 × 50 = 30000 kcal / h = 30000 / 860 = 35 kW
To će biti potrebna minimalna snaga kotla, izračunata na maksimalnu ...

Obično se odabire 1,5-struka rezerva snage, međutim, treba uzeti u obzir faktore kao što su konstantna ventilacija prostorije, otvoreni prozori i vrata, velika površina zastakljenja itd. Ako se planira koristiti kotao s dva kruga (grijanje prostora i opskrba toplom vodom), tada njegov kapacitet treba dodatno povećati za 10 - 40%. Dodatak ovisi o količini potrošene tople vode.

Primjer izračunavanja snage toplotne pumpe za vaš dom:

Kod ΔT = (Tvn - Tnar) = 20 - (-30) = 50°C;
Gubitak topline zgrade od opeke (k min = 1) bit će:
Q \u003d 1 × 300 × 50 = 15000 kcal / h = 30000 / 860 = 17 kW
To će biti potrebna minimalna snaga kotla, računata na minimum, budući da u toplotnoj pumpi nema sagorevanja i resurs zavisi od njenog motornog resursa i ciklusa tokom dana... Da se smanji broj ciklusa uključivanja/isključivanja toplotne pumpe koriste se rezervoari za skladištenje toplote.

Dakle: potrebno je da toplotna pumpa radi 3-5 puta na sat.
one. 17 kW/s sat -3 ciklusa

Trebat će vam međuspremnik - 3 ciklusa - 30 l / kW; 5 ciklusa - 20 l/kW.

17 kW*30l=500l skladišni kapacitet!!! Izračuni su približni, ovdje je velika baterija dobra, ali u praksi stavljaju 200 litara.

Sada izračunajmo cijenu toplotne pumpe i njene instalacije za vaš dom:

Zapremina zgrade je ista V = 10m × 10m × 3m = 300 m3;
Približnu snagu smo izračunali -17kW. Različiti proizvođači imaju različite kapacitete, pa odaberite toplinsku pumpu prema kvaliteti i cijeni zajedno s našim konsultantima. Na primjer, Waterkotte ima toplotnu pumpu od 18kW, ali možete isporučiti i 15kW, jer u slučaju nedovoljne snage u svakoj toplotnoj pumpi je bliži vrh od 6kW. Vrhunsko dogrevanje traje relativno kratko i stoga nema potrebe za preplaćivanjem toplotne pumpe. Stoga možete izabrati i 15 kW, jer je kratkoročno 15+6=21kW više od vaših potreba za toplinom.

Zaustavimo se na 18kW. Navedite cijenu toplotne pumpe sa konsultantima, jer su danas uslovi isporuke "blago rečeno" nepredvidivi. Stoga, stranica predstavlja tvornicu.

Ako ste u južnim regijama, tada će gubitak topline vaše kuće na osnovu gornjih proračuna biti manji, jer ΔT \u003d (Tvn - Tnar) \u003d 20 - (-10) = 30 ° S. i onda ΔT \u003d (Tvn - Tnar) \u003d 20 - (-0) = 20 ° S. Možete odabrati toplotnu pumpu manje snage i, osim toga, po principu rada "vazduh-voda". Naše toplotne pumpe sa izvorom vazduha rade efikasno do -25 stepeni i stoga nije potrebno bušenje.

U centralnoj Rusiji i Sibiru geotermalne toplotne pumpe koje rade po principu "voda-voda" su mnogo efikasnije.

Bušenje za geotermalno polje koštat će različito, ovisno o regiji. U moskovskoj regiji izračun troškova je sljedeći:

Uzimamo snagu naše toplotne pumpe -18kW. Električna potrošnja takve toplotne pumpe sa zemljom je približno 18/4=4,5 kWh od utičnice. Waterkotte ima još manje (ova karakteristika se zove COP. Waterkotte toplotne pumpe imaju COP od 5 ili više). Prema zakonu održanja energije, električna energija se prenosi u sistem pretvarajući u toplotnu, a nedostajuću snagu dobijamo iz geotermalnog izvora, odnosno iz sondi koje je potrebno izbušiti. 18-4,5 = 13,5 kW od Zemlje na primjer (pošto izvor u ovom slučaju može biti horizontalni kolektor, ribnjak, itd.).

Prijenos topline tla na različitim mjestima, čak iu moskovskoj regiji, je različit. U prosjeku, od 30 do 60W na 1 o/min, ovisno o vlažnosti tla.

13,5 kW ili 13500 W podijeljeno prijenosom topline. u prosjeku je 50W dakle 13500/50=270 metara. Radovi na bušenju koštaju u prosjeku 1200 rubalja / m.p. Dobijamo 270 * 1200 \u003d 324000 rubalja. ključ u ruke sa ulazom u toplotnu tačku.

Trošak toplotne pumpe ekonomske klase = 6-7 hiljada dolara. one. 180-200 hiljada rubalja

Trošak UKUPNO 324 hiljade + 180 hiljada = 504 hiljade rubalja

Dodajte trošak instalacije i trošak akumulatora topline i dobit ćete nešto više od 600 tisuća rubalja, što je uporedivo s troškovima opskrbe glavnim plinom. Q.E.D.

Upotreba ambijentalne topline niskog potencijala za grijanje vode i grijanja postaje ekonomski isplativa dugotrajnom upotrebom sistema. Prepreka širokoj distribuciji takvih uređaja je visoka početna cijena opreme i njene instalacije. Stoga je potpuna ili djelomična ugradnja toplinske pumpe vlastitim rukama uvijek relevantna, što vam omogućava da uštedite značajna sredstva.

Rice. 1 Toplotna pumpa voda-voda u kući

Prilikom izrade toplotnih pumpi za grijanje koristi se prirodna niskokvalitetna toplina zračnih masa, tla i vode. Vodene vrste apsorbiraju toplinsku energiju iz bunara, bunara, bara i drugih otvorenih vodenih tijela. Toplotna pumpa radi kao hladnjak, uzimajući toplinu iz odjeljka hladnjaka i izbacujući je van kroz vanjski radijator.

Prilikom ugradnje, primarni izmjenjivač topline s cirkulirajućim rashladnim sredstvom stavlja se u posudu s vodom iz koje se uzima toplina. Voda se usisava vodenom pumpom, prolazi kroz sistem cijevi i zatim ulazi u isparivač - u uređaju, kada se tečnost zagreje, ona isparava. U isparivaču rashladna tekućina prenosi toplinu na freon, za koji je mala pozitivna temperatura od 6 - 8 C tačka ključanja, a plinovito rashladno sredstvo ulazi u kompresor.

Tamo se komprimira, što dovodi do povećanja temperature plina, i dalje se dovodi u kondenzator. U kondenzatoru se toplotna energija iz gasa temperature 40 - 70 C prenosi na vodu u sistemu grejanja, ohlađeni gas se kondenzuje i ulazi u redukcioni ventil (prigušnicu). Njegov tlak se smanjuje - to dovodi do većeg hlađenja plina u tekuće stanje, u kojem se ponovo dovodi u isparivač. Sistem radi u kružnom zatvorenom cikličkom režimu.

Proračun toplotne pumpe

Za projektovanje sistema uradi sam, prije svega, potrebno je izvršiti proračun uzimajući u obzir potrebe za toplinskom energijom (pumpe se mogu dodatno koristiti za obezbjeđivanje tople vode kod kuće) i moguće gubitke. Algoritam proračuna se sastoji od sljedećih operacija.

1. Izračunava se površina grijane prostorije.
2. Na osnovu dobijenih vrijednosti, ukupna količina energije potrebna za grijanje utvrđuje se na osnovu proračuna od 70 - 100 vati po kvadratnom metru. Parametar ovisi o visini stropova, materijalu proizvodnje i stupnju toplinske provodljivosti kuće.
3. Prilikom obezbjeđivanja tople vode dobijena vrijednost se povećava za 15 - 20%.
4. Na osnovu primljene snage bira se kompresor, izračunavaju se i projektuju glavne komponente sistema: cjevovod, isparivač, kondenzator, električna pumpa i druge komponente.

Pribor za sistem grijanja sa toplotnom pumpom za samoproizvodnju

Običnom vlasniku kuće prilično je teško konkurirati domaćim i stranim industrijskim toplotnim pumpama, međutim, njihova ugradnja i izrada pojedinačnih komponenti nisu nemoguć posao. Glavni zadatak u izgradnji toplotne pumpe ostaje ispravnost proračuna, jer u slučaju greške sistem može imati nisku efikasnost i postati neefikasan.

Kompresor

Za ugradnju će vam trebati novi ili polovni. kompresor je u radnom stanju sa neiskorišćenim resursom odgovarajuće snage. Uobičajena snaga kompresora treba da bude 20 - 30% od izračunate, možete koristiti standardne fabričke jedinice za frižidere ili scroll klima uređaje, koji imaju veću efikasnost u odnosu na klipne uređaje.

Isparivač i kondenzator

Za hlađenje i zagrijavanje tekućina, obično se propuštaju kroz bakrene cijevi smještene u posudu s izmjenjivačem topline. Da bi se povećala površina hlađenja, bakrena cijev je raspoređena u obliku spirale, potrebna se dužina izračunava po formuli za izračunavanje površine podijeljene presjekom. Zapremina rezervoara za izmjenu topline se izračunava na osnovu implementacije efikasne izmjene topline, uobičajena prosječna vrijednost je oko 120 litara. Za toplinsku pumpu je racionalno koristiti cijevi za klima uređaje, koje u početku imaju spiralni oblik i prodaju se u uvalama.

Rice. H Bakarna cijev i spremnik izmjenjivača topline

Mnogi proizvođači toplinskih pumpi zamijenili su ovaj način dizajniranja izmjenjivača topline vlastitim rukama za kompaktniji, koristeći izmjenu topline po principu "cijev u cijevi". Standardni prečnik plastične cevi za isparivač je 32 mm, u nju je postavljena bakarna cev prečnika 19 mm, isparivač je termički izolovan, ukupna dužina izmenjivača toplote je oko 10 - 12 m. 25 mm može se koristiti za kondenzator. metalno-plastična cijev i 12,7 mm. bakar.

Da bi povećali površinu i efikasnost izmjenjivača topline, neki majstori uvijaju pletenicu od nekoliko bakrenih cijevi malog promjera, pomiču ih tankom žicom i postavljaju strukturu u plastiku. Ovo omogućava da se na segmentu od 10 metara dobije prostor razmene toplote od oko 1 kubni metar.

ekspanzioni ventil

Pravilno odabran uređaj reguliše stepen punjenja isparivača i u velikoj meri je odgovoran za rad celog sistema. Na primjer, ako je unos rashladnog sredstva previsok, neće imati vremena da potpuno ispari, a kapljice tekućine će ući u kompresor, što će dovesti do poremećaja njegovog rada i smanjenja temperature plina na izlazu. Premalo freona u isparivaču nakon povećanja temperature u kompresoru neće biti dovoljno za zagrijavanje potrebne količine vode.

Senzori

Za jednostavnu upotrebu, praćenje rada, rješavanje problema i konfiguraciju sistema, potrebni su ugrađeni temperaturni senzori. Informacije su važne u svim fazama rada sistema, samo uz njihovu pomoć, koristeći formule, moguće je ustanoviti najvažniji parametar instalirane opreme za vodene toplotne pumpe - indikator efikasnosti COP.

Oprema za pumpe

U toku rada toplotnih pumpi, dovod i dovod vode iz bunara, bunara ili otvorenog rezervoara se odvija uz pomoć pumpi za vodu. Mogu se koristiti potopljeni ili površinski tipovi, obično je njihova snaga mala, 100 - 200 vati je dovoljno za opskrbu vodom. Za kontrolu rada, zaštitu pumpi i sistema dodatno se montiraju filteri, manometar, vodomjeri i jednostavna automatika.

Montaža opreme toplinske pumpe vlastitim rukama ne predstavlja velike poteškoće s mogućnošću rukovanja posebnim alatom za zavarivanje i lemljenje bakra. Izvršeni posao pomoći će uštedi značajnih sredstava - cijena komponenti iznosit će oko 600 USD. Odnosno, kupovina industrijske opreme koštat će 10 puta više (oko 6000 USD). Dizajn "uradi sam", uz pravilan proračun i podešavanje, ima efikasnost (COP) od oko 4, što odgovara industrijskom dizajnu.

Kao što znate, toplotne pumpe koriste besplatne, obnovljive izvore energije: niskokvalitetna toplota iz vazduha, zemlje, podzemne vode, otvorene nezamrzavajuće vode, otpadne i otpadne vode i vazduha, kao i otpadna toplota iz tehnoloških preduzeća. Da bi se to prikupilo, troši se električna energija, ali je omjer primljene toplinske energije i količine potrošene električne energije oko 3-7 puta.

Ako govorimo samo o izvorima toplote niskog potencijala koji nas okružuju za potrebe grijanja, ovo; spoljni vazduh sa temperaturom od -3 do +15 °C, izduvni vazduh (15-25 °C), podzemna (4-10 °C) i podzemna (oko 10 °C) voda, jezerska i rečna voda (5-10 °C), površine tla (ispod tačke smrzavanja) (3-9°S) i dubine tla (više od 6 m - 8 °C).

Ekstrakcija toplote iz okoline (unutrašnji okrug).

U isparivač se pumpa tekući radni medij-rashladno sredstvo pod niskim pritiskom. Toplotni nivo temperatura oko isparivača je veći od odgovarajuće tačke ključanja radnog medija (rashladno sredstvo je odabrano tako da može da ključa čak i na temperaturama ispod nule). Zbog ove temperaturne razlike, toplota okoline se prenosi na radni medij, koji na ovim temperaturama ključa i isparava (pretvara se u paru). Toplina potrebna za to uzima se iz bilo kojeg od gore navedenih izvora topline niskog kvaliteta.

Saznajte više o obnovljivim izvorima energije

Ako je kao izvor topline odabran atmosferski ili ventilacijski zrak, koriste se toplinske pumpe koje rade po shemi "zrak-voda". Pumpa se može nalaziti u zatvorenom ili na otvorenom, sa ugrađenim ili daljinskim kondenzatorom. Kroz izmjenjivač topline (isparivač) zrak se uduvava pomoću ventilatora.

Kao izvor toplotne energije niskog potencijala mogu se koristiti podzemne vode sa relativno niskom temperaturom ili tlo površinskih slojeva zemlje. Sadržaj topline u zemljišnoj masi je općenito veći. Toplotni režim tla površinskih slojeva zemlje formira se pod uticajem dva glavna faktora - sunčevog zračenja koje pada na površinu i toka radiogene toplote iz unutrašnjosti zemlje. Sezonske i dnevne promjene intenziteta sunčevog zračenja i vanjske temperature uzrokuju fluktuacije temperature gornjih slojeva tla. Dubina prodiranja dnevnih kolebanja temperature vanjskog zraka i intenziteta upadnog sunčevog zračenja, ovisno o specifičnim zemljišnim i klimatskim uvjetima, kreće se od nekoliko desetina centimetara do jednog i po metra. Dubina prodiranja sezonskih kolebanja temperature vanjskog zraka i intenziteta upadnog sunčevog zračenja u pravilu ne prelazi 15-20 m.

Vrste horizontalnih izmjenjivača topline:

1. Izmjenjivač topline serijski spojenih cijevi;
2. izmjenjivač topline paralelnih cijevi;
3. horizontalni kolektor položen u rov;
4. izmjenjivač topline u obliku petlje;
5. izmjenjivač topline u obliku spirale smještene vodoravno (tzv. "slinky" kolektor);
6. izmjenjivač topline u obliku spirale, smješten okomito.

Vodeni bunar akumulira sunčevu toplinu. Čak iu hladnom zimskom periodu, podzemna voda ima konstantnu temperaturu od +7 do +12°C. To je prednost ovog izvora topline. Zbog konstantnog nivoa temperature, ovaj izvor toplote ima visoku stopu konverzije kroz toplotnu pumpu tokom cele godine. Nažalost, podzemne vode nisu uvijek dostupne u dovoljnim količinama. Kada se kao izvor koristi podzemna voda, dovod se vrši iz bunara pomoću potopljene pumpe do ulaza u izmjenjivač topline (isparivač) toplotne pumpe koja radi po shemi „voda-voda / otvoreni sistem“, voda iz izlaz izmjenjivača topline se ili pumpa u drugi bunar, ili se ispušta u rezervoar. Prednost otvorenih sistema je mogućnost dobijanja velike količine toplotne energije uz relativno niske troškove. Međutim, bunari zahtijevaju održavanje. Osim toga, upotreba ovakvih sistema nije moguća u svim oblastima. Glavni zahtjevi za tlo i podzemne vode su sljedeći:
- dovoljna vodopropusnost tla, koja omogućava popunjavanje rezervi vode;
- dobra hemija podzemnih voda (npr. nizak sadržaj željeza) kako bi se izbjegao kamenac u cijevima i problemi s korozijom.

Otvoreni sistemi se češće koriste za grijanje ili hlađenje velikih zgrada. Najveći svetski geotermalni sistem za prenos toplote koristi podzemnu vodu kao izvor toplotne energije niskog kvaliteta. Ovaj sistem se nalazi u SAD-u u Louisvilleu, Kentucky. Sistem se koristi za toplotno i hladno snabdevanje hotelskog i poslovnog kompleksa; njegova snaga je oko 10 MW.

Uzmimo još jedan izvor - rezervoar, na njegovo dno se mogu postaviti petlje od plastične cijevi, shema "voda-voda / zatvoreni sistem". Kroz cjevovod cirkuliše rastvor etilen glikola (antifriz), koji prenosi toplotu rashladnom sredstvu kroz izmenjivač toplote (isparivač) toplotne pumpe.
Tlo ima sposobnost da akumulira sunčevu energiju u dužem vremenskom periodu, što obezbeđuje relativno ujednačenu temperaturu izvora toplote tokom cele godine, a samim tim i visok faktor konverzije toplotne pumpe. Temperatura u gornjim slojevima tla varira u zavisnosti od godišnjeg doba. Ispod linije smrzavanja ove temperaturne fluktuacije su značajno smanjene. Toplota pohranjena u tlu izvlači se pomoću horizontalno položenih hermetičkih izmjenjivača topline, koji se nazivaju i zemljani kolektori, ili pomoću vertikalno položenih izmjenjivača topline, tzv. geotermalnih sondi. Toplota okoline se prenosi mješavinom vode i etilen glikola (rasol ili medijum), čija tačka smrzavanja treba da bude približno -13°C (obratite pažnju na podatke proizvođača). Zahvaljujući tome, slana voda se ne smrzava tokom rada.
To znači da postoje dvije opcije za dobivanje niskopotencijalne topline iz tla. Horizontalno polaganje plastičnih cijevi u rovove dubine 1,3-1,7 m, u zavisnosti od klimatskih uslova područja, ili vertikalnih bunara dubine 20-100 m. Polaganje cijevi u rovove može se vršiti i u obliku spirala , ali sa dubinom polaganja od 2-4 m, to će značajno smanjiti ukupnu dužinu rovova. Maksimalni prenos toplote površinskog tla je od 7 do 25 W sa m.p., od geotermalnih 20-50 W sa m.p. Prema proizvođačkim kompanijama, vijek trajanja rovova i bunara je više od 100 godina.

Još malo o vertikalnim izmjenjivačima topline za tlo.

Od 1986. godine u Švajcarskoj, u blizini Ciriha, vrše se istraživanja na sistemu sa vertikalnim razmenjivačima toplote u zemlji. U masivu tla je postavljen vertikalni zemni izmjenjivač topline koaksijalnog tipa dubine 105 m. Ovaj izmjenjivač topline je korišten kao izvor toplotne energije niske kvalitete za sistem prijenosa topline instaliran u jednostambenoj stambenoj zgradi. Vertikalni izmjenjivač topline tla je davao vršnu snagu od približno 70 vati po metru dužine, što je stvorilo značajno toplinsko opterećenje na okolnoj zemljinoj masi. Godišnja proizvodnja toplotne energije je oko 13 MWh.
Na udaljenosti od 0,5 i 1 m od glavne bušotine izbušene su dvije dodatne bušotine u koje su ugrađeni temperaturni senzori na dubini od 1, 2, 5, 10, 20, 35, 50, 65, 85 i 105 m, nakon čega su bunari ispunjeni glineno-cementnom smjesom. Temperatura je mjerena svakih trideset minuta. Osim temperature tla, zabilježeni su i drugi parametri: brzina rashladnog sredstva, potrošnja energije pogona kompresora, temperatura zraka itd.

Prvi period posmatranja trajao je od 1986. do 1991. godine. Mjerenja su pokazala da se uticaj topline vanjskog zraka i sunčevog zračenja primjećuje u površinskom sloju tla na dubini do 15 m. Ispod ovog nivoa se formira termički režim tla uglavnom zbog toplote unutrašnjosti zemlje. Tokom prve 2-3 godine rada, temperatura zemljišne mase koja okružuje vertikalni izmenjivač toplote naglo je opadala, ali se svake godine smanjivao pad temperature, da bi nakon nekoliko godina sistem dostigao režim blizu konstantnog, kada je temperatura od masa tla oko izmjenjivača topline postala je niža od početne za 1 -2°C.

U jesen 1996. godine, deset godina nakon početka rada sistema, mjerenja su nastavljena. Ova mjerenja su pokazala da se temperatura tla nije značajno promijenila. U narednim godinama zabilježene su male fluktuacije temperature tla unutar 0,5 °C, ovisno o godišnjem opterećenju grijanja. Tako je sistem nakon prvih nekoliko godina rada ušao u kvazistacionarni režim.

Na osnovu eksperimentalnih podataka izgrađeni su matematički modeli procesa koji se odvijaju u masivu tla, što je omogućilo dugoročnu prognozu promjena temperature zemljišnog masiva.

Matematičko modeliranje je pokazalo da će godišnji pad temperature postepeno opadati, a zapremina mase tla oko izmjenjivača topline, podložna snižavanju temperature, svake godine će se povećavati. Na kraju radnog perioda počinje proces regeneracije: temperatura tla počinje rasti. Priroda procesa regeneracije slična je prirodi procesa "odabira" topline: u prvim godinama rada dolazi do naglog povećanja temperature tla, a u narednim godinama stopa povećanja temperature opada. Dužina perioda "regeneracije" zavisi od dužine perioda rada. Ova dva perioda su otprilike ista. U ovom slučaju, period rada zemljanog izmjenjivača topline bio je trideset godina, a period "regeneracije" je također procijenjen na trideset godina.

Dakle, sistemi toplotnog i hladnog snabdijevanja zgrada, koji koriste nisku toplotu zemlje, predstavljaju pouzdan izvor energije koji se može koristiti svuda. Ovaj izvor se može koristiti dosta dugo i može se obnoviti na kraju radnog perioda.

Proračun horizontalnog kolektora toplotne pumpe

Odvođenje topline sa svakog metra cijevi ovisi o mnogim parametrima: dubini polaganja, dostupnosti podzemnih voda, kvaliteti tla itd. Približno se može smatrati da je za horizontalne kolektore 20 W.m.p. Tačnije: suvi pesak - 10, suva glina - 20, mokra glina - 25, glina sa visokim sadržajem vode - 35 W.m.p. Razlika u temperaturi rashladnog sredstva u prednjoj i obrnutoj liniji petlje u proračunima se obično uzima na 3 °C. Na lokaciji kolektora ne treba graditi objekte tako da toplota zemlje, tj. naš izvor energije, napunjen energijom zbog sunčevog zračenja.

Minimalni razmak između položenih cijevi trebao bi biti najmanje 0,7-0,8 m. Dužina jednog rova ​​može varirati od 30 do 150 m. Važno je da dužine spojenih krugova budu približno iste. Kao rashladno sredstvo primarnog kruga, preporučuje se upotreba otopine etilen glikola (medij) s tačkom smrzavanja od približno -13 ° C. U proračunima treba uzeti u obzir da je toplinski kapacitet otopine na temperaturi od 0 °C je 3,7 kJ/(kg K), a gustina je 1,05 g/cm 3. Kada se koristi medij, gubitak tlaka u cijevima je 1,5 puta veći nego kod cirkulacije vode. Za izračunavanje parametara primarnog kruga instalacije toplinske pumpe, bit će potrebno odrediti brzinu protoka medija:

Vs = Qo 3600 / (1,05 3,7 .t),
gdje je t temperaturna razlika između dovodnog i povratnog voda, za koju se često uzima 3 o K. Tada je Qo toplinska snaga primljena od izvora niskog potencijala (tla). Posljednja vrijednost se izračunava kao razlika između ukupne snage toplinske pumpe Qwp i električne energije potrošene na zagrijavanje rashladnog sredstva P:

Qo = Qwp - P, kW.

Ukupna dužina kolektorskih cijevi L i ukupna površina površine ispod njega A izračunavaju se po formulama:

Ovdje q - specifično (od 1 m cijevi) odvođenje topline; da - udaljenost između cijevi (korak polaganja).

Primjer izračuna. Toplinska pumpa.
Početni uslovi: potreba za toplotom vikendice površine 120-240 m2 (na osnovu toplotnih gubitaka, uzimajući u obzir infiltraciju) - 13 kW; pretpostavlja se da je temperatura vode u sistemu grijanja 35 °C (podno grijanje); minimalna temperatura nosača toplote na izlazu u isparivač je 0 °S. Za grijanje zgrade iz postojećeg tehničkog asortimana opreme odabrana je toplotna pumpa snage 14,5 kW, uzimajući u obzir gubitke zbog viskoznosti medija, pri odabiru i prijenosu toplotne energije iz tla, iznosi 3,22 kW. Odvođenje toplote iz površinskog sloja tla (suha glina), q je 20 W/r.m. U skladu sa formulama izračunavamo:

1) potrebna toplotna snaga kolektora Qo = 14,5 - 3,22 = 11,28 kW;
2) ukupna dužina cijevi L = Qo/q = 11,28/0,020 = 564 r.m. Za organizaciju takvog kolektora potrebno je 6 krugova dužine 100 m;
3) sa korakom polaganja od 0,75 m, potrebna površina ​​mjesta A = 600 x 0,75 \u003d 450 m2;
4) ukupno punjenje rastvora etilen glikola Vs = 11,28 3600/ (1,05 3,7 3) = 3,51 m3, u jednom krugu je jednako 0,58 m3.

Za kolektorski uređaj odabiremo plastičnu cijev veličine 32x3. Gubitak pritiska u njemu će biti 45 Pa/m.p.; otpor jednog kola je približno 7 kPa; brzina protoka rashladne tečnosti - 0,3 m/s.

Proračun sonde

Kada se koriste vertikalni bunari dubine od 20 do 100 m, u njih se uranjaju plastične cijevi u obliku slova U (promjera od 32 mm). U pravilu se dvije petlje ubacuju u jedan bunar, napunjen rastvorom kaše. U prosjeku, specifično odvođenje topline takve sonde može se uzeti jednakim 50 W/m.p. Također se možete fokusirati na sljedeće podatke o uklanjanju topline:

• suhe sedimentne stijene - 20 W/m;
• kamenito tlo i sedimentne stijene zasićene vodom - 50 W / m;
• stijene visoke toplinske provodljivosti - 70 W/m;
• podzemne vode - 80 W/m.

Temperatura tla na dubini većoj od 15 m je konstantna i iznosi približno +9 °C. Udaljenost između bunara treba da bude veća od 5 m. U prisustvu podzemnih struja, bunari treba da budu postavljeni na liniji okomitoj na tok.
Odabir promjera cijevi vrši se na osnovu gubitaka tlaka za potrebnu brzinu protoka rashladne tekućine. Proračun protoka tekućine može se izvršiti za t = 5 °S.

Primjer izračuna.

Početni podaci su isti kao u gornjem proračunu horizontalnog kolektora. Sa specifičnim odvođenjem toplote sonde od 50 W/m i potrebnom snagom od 11,28 kW, dužina sonde L bi trebala biti 225 m.
Za izgradnju kolektora potrebno je izbušiti tri bunara dubine 75 m. U svaki od njih postavljamo dvije cijevne petlje veličine 32x3; ukupno - 6 kontura od po 150 m.

Ukupni protok rashladnog sredstva pri t = 5 °S iznosiće 2,1 m3/h; protok kroz jedan krug - 0,35 m3 / h. Krugovi će imati sledeće hidraulične karakteristike: gubitak pritiska u cevi - 96 Pa/m (nosač toplote - 25% rastvor etilen glikola); otpor petlje - 14,4 kPa; brzina protoka - 0,3 m/s.

Izbor opreme

Budući da temperatura antifriza može varirati (od -5 do +20 °C), potreban je hidraulički ekspanzioni spremnik u primarnom krugu instalacije toplinske pumpe.
Također se preporučuje ugradnja spremnika na vod za grijanje (kondenzaciju) toplinske pumpe: kompresor toplinske pumpe radi u on-off modu. Prečesti startovi mogu dovesti do ubrzanog trošenja njegovih dijelova. Spremnik je koristan i kao akumulator energije - u slučaju nestanka struje. Njegova minimalna zapremina se uzima u iznosu od 20-30 litara po 1 kW snage toplotne pumpe.

Pri korištenju bivalentnosti, drugog izvora energije (električni, plinski, tekući ili čvrsti kotao) on se povezuje u strujno kolo preko akumulatorskog spremnika koji je ujedno i termo-hidrodistributer, kotao se uključuje toplotnom pumpom ili sistem automatizacije višeg nivoa.
U slučaju mogućih nestanka struje, moguće je povećati snagu instalirane toplotne pumpe za faktor izračunat po formuli: f = 24/(24 - t off), gdje je t off trajanje nestanka struje.

U slučaju mogućeg nestanka struje u trajanju od 4 sata, ovaj koeficijent će biti jednak 1,2.
Snaga toplotne pumpe može se odabrati na osnovu monovalentnog ili dvovalentnog načina rada. U prvom slučaju se pretpostavlja da se toplotna pumpa koristi kao jedini generator toplotne energije.

Treba uzeti u obzir: čak i kod nas trajanje perioda sa niskom temperaturom vazduha je mali deo grejne sezone. Na primjer, za centralni region Rusije vrijeme kada temperatura padne ispod -10 °C iznosi samo 900 sati (38 dana), dok je trajanje same sezone 5112 sati, a prosječna januarska temperatura je približno -10 °C. Stoga je najprikladniji rad toplotne pumpe u bivalentnom režimu, koji predviđa uključivanje dodatnog izvora u periodima kada temperatura vazduha pada ispod određene: -5 ° C - u južnim regionima Rusije, -10 ° C - u centralnim. To omogućava smanjenje troškova toplinske pumpe i, posebno, ugradnje primarnog kruga (polaganje rovova, bušenje bunara i sl.), što se uvelike povećava s povećanjem kapaciteta instalacije.

U uslovima centralnog regiona Rusije, za grubu procenu, kada birate toplotnu pumpu koja radi u bivalentnom režimu, možete se fokusirati na odnos 70/30: 70% potrebe za toplotom pokriva toplotna pumpa, a preostalih 30% električnom ili drugim izvorom toplotne energije. U južnim regijama možete se voditi omjerom snage toplinske pumpe i dodatnog izvora topline, koji se često koristi u zapadnoj Europi: 50 prema 50.

Za vikendicu površine 200 m2 za 4 osobe s gubitkom topline od 70 W / m2 (izračunato na -28 ° C vanjske temperature zraka), potreba za toplinom će biti 14 kW. Ovoj vrijednosti dodajte 700 W za toplu vodu za domaćinstvo. Kao rezultat, potrebna snaga toplotne pumpe će biti 14,7 kW.

Ako postoji mogućnost privremenog nestanka struje, potrebno je povećati ovaj broj za odgovarajući faktor. Recimo da je dnevno vrijeme isključenja 4 sata, tada bi snaga toplotne pumpe trebala biti 17,6 kW (faktor množenja - 1,2). U slučaju monovalentnog načina rada, može se odabrati toplotna pumpa zemlja-voda snage 17,1 kW, koja troši 6,0 kW električne energije.

Za dvovalentni sistem sa dodatnim električnim grijačem i temperaturom dovoda hladne vode od 10 °C za potrebe tople vode i sigurnosnog faktora, snaga toplotne pumpe treba biti 11,4 W, a električnog bojlera 6,2 kW (ukupno 17,6 kW). ) . Maksimalna potrošnja električne energije u sistemu će biti 9,7 kW.

Približna cijena potrošene električne energije po sezoni, kada toplotna pumpa radi u monovalentnom načinu rada, iznosit će 500 rubalja, au dvovalentnom načinu rada na temperaturama ispod (-10C) - 12 500. Trošak energetskog nosača kada se koristi samo odgovarajući kotao biće: struja - 42.000, dizel gorivo - 25.000 i gas - oko 8.000 rubalja. (ako postoji gasovod i niske cene gasa u Rusiji). Trenutno, za naše uslove, po efikasnosti rada, toplotna pumpa se može porediti samo sa gasnim kotlom nove serije, a po troškovima rada, trajnosti, sigurnosti (nije potrebna kotlarnica) i ekološkoj prihvatljivosti. nadmašuje sve druge vrste proizvodnje toplote.

Treba napomenuti da prilikom ugradnje toplotnih pumpi, prije svega, treba voditi računa o izolaciji zgrade i ugradnji dvostrukih prozora sa niskom toplotnom provodljivošću, što će smanjiti gubitak topline zgrade, a samim tim i cijenu rada i oprema.

Uzimajući u obzir činjenicu da je toplinska pumpa oprema koja zahtijeva prilično ozbiljne troškove kupovine i ugradnje, pitanju njenog izbora treba pristupiti s posebnom pažnjom. Prvo što potencijalni kupac treba da uradi je da napravi barem približan proračun snage opreme koja je pogodna za efikasan rad u određenim uslovima. Naravno, možete se obratiti stručnjacima za izradu projekta toplinske pumpe, ali da biste procijenili približne troškove, možete sami napraviti neke početne proračune.

Toplotna pumpa, čiji je dizajn prilično kompliciran poduhvat, odabire se ovisno o površini kuće, stupnju njene izolacije i prosječnim vrijednostima temperature u hladnoj sezoni. Pored proračuna potrebnog kapaciteta, kompletan projekat uključuje određivanje parametara zemljanog kolektora za geotermalnu pumpu, izračunavanje broja i prečnika cevi za bunar u slučaju sistema voda-voda. Ispravan proračun toplinske pumpe uključuje uzimanje u obzir mnogih faktora: od karakteristika tla na gradilištu do materijala od kojeg je kuća izgrađena.

Razvoj sistema grijanja na bazi toplotne pumpe

Ako ste ozbiljno zainteresirani za tako progresivan način grijanja kuće kao što su toplinske pumpe, onda je najbolje da preferirate usluge stručnjaka sa specijaliziranim obrazovanjem i velikim iskustvom s takvom opremom. To je zato što će vam pravilan dizajn toplotne pumpe i cjelokupnog sistema grijanja za dom omogućiti da na dugi niz godina zaboravite na probleme s toplinom, uživajući u stabilnom efikasnom radu opreme.

Prije svega, vrijedi odlučiti o izvoru topline, koji će se pretvoriti u energiju za rashladnu tekućinu u sistemu grijanja. Od toga da li će to biti zemlja, voda ili vazduh, zavisi kako proizvodnja toplotnih pumpi (tačnije, tehnologija proizvodnje), tako i produktivnost, i cena same opreme i montažnih radova. Jedan od najefikasnijih sistema je voda-voda, ali za to je potreban rezervoar u blizini kuće ili dovoljna količina podzemne vode na lokaciji.

Treba imati na umu da se toplotna pumpa više koristi za niskotemperaturne izvore toplote, idealna je kombinacija sa sistemom "topli pod", ali je moguće kombinovati i sa tradicionalnim agregatima. Prilikom odabira toplotnih pumpi, njihov termički proračun se vrši na način da se uzme u obzir da li je u stanju samostalno grijati prostoriju čak i po najhladnijem vremenu ili je potrebno osigurati dodatni izvor topline u sistemu, na primjer, električni bojler. Termodinamički proračun uzima u obzir minimalne temperature koje se mogu postići zimi.

Također je potrebno uzeti u obzir potrebu za opskrbom toplom vodom kod kuće, ako je takva funkcionalnost potrebna, tada je dodatnih 20% uključeno u potrebnu snagu.

Primjer proračuna toplinske pumpe

Dakle, imamo dvospratnu zgradu površine 250 m2. sa visinom stropa od 2,7 m. Pretpostavimo da je temperatura u prostoriji + 20 ° C, a na ulici -26 ° C. Zatim izračunavamo snagu toplotne pumpe za grijanje kuće:

0,434*250*2,7*(20-(-26)) = 13475,7 kW - maksimalna potrebna snaga za grijanje u skladu sa SP 50.13330-2012

Takav proračun ne podrazumijeva velike gubitke. Gubici u ovom slučaju mogu biti čak i manji od 13475,7 kW.

Precizniji termički proračun može se napraviti pojedinačno. Uzeće u obzir sve materijale zidova, prozora, plafona itd.

Proračun kruga toplinske pumpe, koji će služiti za grijanje i hlađenje prostorije, složeniji je i provode ga stručnjaci.