Hledání alternativních zdrojů, které poskytují energii mnoha oblastem lidské činnosti, se v poslední době stalo naléhavým úkolem. Lidé se snaží aktivněji využívat energii slunce, větru a vodních zdrojů za účelem snížení nákladů na řešení problémů spojených se zásobováním budov teplem. Otázka ekologie je přitom neméně důležitá, protože snižování škodlivých emisí, které znečišťují atmosféru, je důležitější než kdy jindy.

Vytvářet příznivé a pohodlné podmínky pro život v sektoru bydlení v minulé roky začala využívat větrné generátory, solární kolektory a úsporné generátory tepla současně s realizací opatření, která napomáhají ke zvýšení tepelné izolace objektu zásobování teplem.

Podle odborníků působících v této oblasti je využití geotermálních zdrojů tepelné energie – speciálních čerpadel – považováno za efektivní a ekonomické opatření. Jejich základní konstrukce umožňuje odebírat teplo životní prostředí, transformujte jej a přesuňte na místo aplikace (více podrobností: " ").

Zdroje energie pro tepelná čerpadla jsou voda, vzduch a půda a k procesu výroby tepla dochází díky využití fyzikálních vlastností určitých látek nazývaných chladiva. Jsou schopny vařit i při nízkých teplotách.

Postup výpočtu pro tepelná čerpadla

Výsledek výpočtů závisí především na jednotlivých charakteristikách vytápěné konstrukce a skládá se z několika fází:

1. Nejprve se zjišťují tepelné ztráty vznikající obvodovým pláštěm budovy (patří sem okna, dveře, stěny, stropy). Chcete-li to provést, použijte následující vzorec:
   
   Qok = Sx(tin – tout)x(1 + Σ β) x n / Rt (W), kdeS – součet ploch všech obvodových konstrukcí (m²);
   cín – teplota vzduchu uvnitř budovy (°C);
   tout – teplota venkovního vzduchu (°C);
   
   n – koeficient odrážející vliv okolního prostoru na vlastnosti konstrukce. Pokud je místnost v přímém kontaktu s vnějším prostředím přes strop, pak je tento ukazatel roven 1. Když má objekt podkrovní podlahy, n se rovná 0,9. Pokud je objekt umístěn nad suterénem, ​​je koeficient 0,75 (blíže: " ").
   β je koeficient dodatečné tepelné ztráty v závislosti na typu budovy a její geografické poloze. Tento ukazatel při výpočtu tepelného čerpadla je v rozsahu od 0,05 do 0,27;Rt je ukazatel tepelného odporu, který je určen následujícím vzorcem:Rt = 1/ α vnitřní + Σ (δі / λі) + 1/ α vnější (m² x °C / W), kde:α vnitřní – součinitel charakterizující tepelnou pohltivost vnitřních povrchů konstrukcí oplocení (W/m²x°C);
   δі / λі – je výpočtový ukazatel tepelné vodivosti materiálů používaných ve stavebnictví;
   α nar – hodnota tepelného rozptylu vnějších povrchů konstrukcí oplocení (W/m²x°C);
2. Dále pro výpočet tepelných čerpadel použijte vzorec k určenícelkové tepelné ztráty budovy:
   
   Qt.pot = Qok + Qi – Qbp, kde:
   
   Qi - náklady na ohřev vzduchu, který vstupuje přes přírodní netěsná místa;
   Qbp ​​​​ - výroba tepla v důsledku provozu domácích spotřebičů a lidské činnosti.
3. V této fázi se pro každý z objektů během roku vypočítá spotřebovaná tepelná energie:Qrok = 24x0,63xQt. pot.х((dх (tin - tout.medi.)/ (tin - tout.)) kW/hod.), kde:
   tout.av je aritmetický průměr teplot zaznamenaných ve venkovním vzduchu během celého topného období;
   d – počet dní v topné sezóně.
4. Poté musíte určit tepelný výkon potřebný k ohřevu vody po celý rok, pro který se používá výraz:
   
   Qgv = V x17 (kW/hod za kalendářní rok), kde
   V x17 – denní objem ohřevu vody do 50 °C.
5. Celková spotřeba tepelné energie je určena vzorcem:
   
   Q = Qgv + Qyear (kW/hod po dobu jednoho roku)

1.1 je korekční faktor, protože při výskytu kritických teplot se může zvýšit zatížení tepelného čerpadla.

Po provedení potřebných výpočtů je snadné vybrat tepelné čerpadlo vhodné do dané místnosti, které v ní zajistí příjemné mikroklima pro lidi v místnosti.

Jak vypočítat náklady na vytápění pro venkovský dům?

Výpočty se provádějí na základě následujících parametrů:

Prvním parametrem jsou provozní náklady. Pro stanovení těchto nákladů stojí za to vzít v úvahu náklady na palivo, které bude použito k výrobě tepla. Tato položka také zahrnuje náklady na údržbu. Nejvýnosnější z hlediska tohoto parametru bude vytápění, jehož nosičem energie bude dodávaný hlavní plyn. Dalším nejúčinnějším je TEPELNÉ ČERPADLO.

Druhým parametrem jsou náklady na nákup zařízení a jeho instalaci. Nejvýnosnější a nejekonomičtější možností ve fázi nákupu a instalace by byl nákup elektrického kotle. Maximální náklady čekají, pokud se rozhodnete pořídit si kotle, kde je nosičem energie zkapalněný plyn v plynových nádržích nebo nafta. I zde je optimální TEPELNÉ ČERPADLO.

Třetí parametr by měl být považován za pohodlí při používání topného zařízení. Kotle na tuhá paliva lze v tomto případě označit za nejnáročnější. Vyžadují vaši přítomnost a dodatečné nakládání paliva, zatímco elektrické a ty napájené hlavním plynem fungují nezávisle. Proto jsou plynové a elektrické kotle nejpohodlnější k použití při vytápění venkovských domů. A zde má TEPELNÉ ČERPADLO výhodu. Klimatizace je nejkomfortnější charakteristikou tepelných čerpadel.

Dnes se v Moskevské oblasti vyvinula následující cenová situace... Připojení plynu k soukromým domům stojí asi 600 tisíc rublů. Také požadováno projekční práce a odpovídajících schválení, která někdy trvají roky a navíc stojí peníze. Zde připočítejte náklady na zařízení a relativně krátkou dobu jeho opotřebení (proto plynárenské společnosti nabízejí výkonnější plynové kotle, aby opotřebení kotle trvalo déle). Vytápění tepelnými čerpadly je již srovnatelné s výše uvedenou cenou, ale nevyžaduje žádné schválení. Tepelné čerpadlo je běžný domácí elektrospotřebič, který spotřebuje 4x méně elektřiny než klasický elektrokotel a je také klimatizačním zařízením, tedy klimatizací. Životnost motoru moderních tepelných čerpadel a zejména těch kvalitních (prémiová třída) umožňuje jejich provoz více než 20 let.

Uvádíme příklady výpočtu tepelných čerpadel pro různé typy a velikosti domů.

Nejprve musíte určit tepelné ztráty vaší budovy v závislosti na oblasti jejího umístění. Přečtěte si více v "Úplné zprávy"

Nejprve se musíte rozhodnout pro výkon tepelného čerpadla nebo kotle, protože ten je jedním z rozhodujících technická charakteristika. Vybírá se na základě velikosti tepelných ztrát budovy. Výpočet tepelné bilance domu s přihlédnutím k vlastnostem jeho návrhu by měl provádět odborník, avšak pro hrubý odhad tohoto parametru, pokud je stavba domu navržena s ohledem na stavební normy, můžete použijte následující vzorec:
Q = kVAT
1 kW/h = 860 kcal/h
Kde
Q - tepelné ztráty, (kcal/h)
V je objem místnosti (délka × šířka × výška), m3;
ΔT - maximální rozdíl mezi teplotou vzduchu venku a uvnitř místnosti v zimě, °C;
k je zobecněný součinitel prostupu tepla budovy;
k = 3…4 - budova z desek;
k = 2…3 - cihlové stěny v jedné vrstvě;
k min-max = 1…2 - standardní zdivo (cihla ve dvou vrstvách);

k = 0,6...1 - dobře izolovaná budova;

Příklad výpočtu výkonu plynového kotle pro váš dům:

Pro budovu o objemu V = 10m × 10m × 3m = 300 m3;

Tepelná ztráta zděné budovy (k max= 2) bude:
Q = 2 × 300 × 50 = 30 000 kcal/hod = 30 000 / 860 = 35 kW
To bude požadovaný minimální výkon kotle, vypočtený na maximální...

Typicky se volí 1,5násobná rezerva chodu, nicméně je třeba vzít v úvahu faktory jako neustále běžící větrání místnosti, otevřená okna a dveře, velká plocha prosklení atd. Pokud plánujete použít dvouokruhový kotel (vytápění místnosti a zásobování teplou vodou), měl by se jeho výkon dále zvýšit o 10 - 40%. Přísada závisí na množství protékající horké vody.

Příklad výpočtu výkonu tepelného čerpadla pro váš dům:

Při AT = (Tvn - Tnar) = 20 - (-30) = 50 °C;
Tepelná ztráta zděné budovy (k min= 1) bude:
Q = 1 × 300 × 50 = 15 000 kcal/hod = 30 000 / 860 = 17 kW
To bude požadovaný minimální výkon kotle, vypočítaný na minimum, protože nedochází k vyhoření tepelného čerpadla a zdroj závisí na jeho životnosti motoru a cyklování během dne... Snížit počet cyklů zapnutí/vypnutí tepelného čerpadla se používají akumulační nádrže tepla.

Takže: Potřebujete, aby tepelné čerpadlo cyklovalo 3-5krát za hodinu.
těch. 17 kW/hod -3 cykly

Budete potřebovat vyrovnávací nádrž - 3 cykly - 30 l/kW; 5 zdvihů - 20 l/kW.

17 kW*30l=500l skladovací kapacita!!! Výpočty jsou přibližné, zde je dobrá velká baterie, ale v praxi spotřebují 200 litrů.

Nyní si spočítejte náklady na tepelné čerpadlo a jeho instalaci pro váš dům:

Objem budovy je stejný V = 10m × 10m × 3m = 300 m3;
Přibližný výkon jsme vypočítali na -17 kW. Různí výrobci mají různá vedení, proto vybírejte tepelné čerpadlo podle kvality a ceny společně s našimi poradci. Například Waterkotte má tepelné čerpadlo 18 kW, ale můžete nainstalovat i tepelné čerpadlo 15 kW, protože v případě nedostatečného výkonu je v každém tepelném čerpadle blíže špička 6 kW. Špičkový dohřev nastává poměrně rychle, a proto není třeba přeplácet tepelné čerpadlo. Proto si můžete vybrat 15 kW, protože krátkodobě je 15+6=21 kW vyšší než vaše potřeba tepla.

Zastavme se u 18 kW. Ověřte si cenu tepelného čerpadla u konzultantů, protože dnešní dodací podmínky jsou „mírně řečeno“ nepředvídatelné. Proto je na webu uvedena tovární verze.

Pokud se nacházíte v jižních oblastech, tepelné ztráty vašeho domova na základě výše uvedených výpočtů budou menší, protože AT = (Tvn - Tnar) = 20 - (-10) = 30 °C. nebo dokonce AT = (Tvn - Tnar) = 20 - (-0) = 20 °C. Můžete si vybrat tepelné čerpadlo nižšího výkonu a také na principu provozu vzduch-voda. Naše vzduchová tepelná čerpadla fungují efektivně až do -25 stupňů, a proto nevyžadují vrtání.

Ve středním Rusku a na Sibiři jsou geotermální tepelná čerpadla fungující na principu „voda-voda“ mnohem efektivnější.

Vrty pro geotermální pole budou stát různě v závislosti na regionu. V moskevské oblasti je výpočet nákladů následující:

Odebíráme výkon našeho tepelného čerpadla -18 kW. Elektrická spotřeba takového geotermálního tepelného čerpadla je přibližně 18/4 = 4,5 kW/hod ze zásuvky. Waterkotte má ještě méně (tato charakteristika se nazývá COP. Tepelná čerpadla Waterkotte mají COP 5 a více). Podle zákona zachování výkonu se elektrický výkon převádí do systému, přeměňuje se na tepelný výkon, chybějící výkon získáváme z geotermálního zdroje, tedy ze sond, které je třeba navrtat. 18-4,5 = 13,5 kW ze Země např. (protože zdrojem v tomto případě může být horizontální kolektor, rybník atd.).

Přenos tepla půd na různých místech, dokonce i v moskevské oblasti, je odlišný. V průměru od 30 do 60 W na 1 m.p., v závislosti na vlhkosti půdy.

13,5 kW nebo 13500 W děleno přestupem tepla. v průměru je to 50W takže 13500/50=270 metrů. Vrtací práce stojí v průměru 1200 rublů/m.p. Dostaneme 270*1200=324000 rublů. na klíč se vstupem do teplárny.

Náklady na tepelné čerpadlo ekonomické třídy jsou 6-7 tisíc dolarů. těch. 180-200 tisíc rublů

Náklady CELKEM 324 tisíc + 180 tisíc = 504 tisíc rublů

Přidejte náklady na instalaci a náklady na tepelný akumulátor a získáte o něco více než 600 tisíc rublů, což je srovnatelné s náklady na dodávku hlavního plynu. Q.E.D.

Využití nekvalitního okolního tepla pro ohřev vody a vytápění se stává ekonomicky výhodným při dlouhodobém používání systému. Překážkou širokého používání takových zařízení jsou vysoké počáteční náklady na zařízení a jeho instalaci. Proto je vždy relevantní úplná nebo částečná instalace tepelného čerpadla vlastníma rukama, což vám umožní ušetřit značné peníze.

Rýže. 1 Tepelné čerpadlo voda-voda v domě

Při vytváření tepelných čerpadel pro vytápění se využívá přirozené málo kvalitní teplo vzdušných hmot, půdy a vody. Vodní druhy absorbují tepelnou energii ze studní, studní, rybníků a dalších otevřených vodních ploch. Tepelné čerpadlo funguje jako chladnička, která odebírá teplo z chladicího oddílu a uvolňuje ho ven přes externí radiátor.

Primární výměník tepla s cirkulujícím chladivem je při instalaci umístěn do nádoby s vodou, ze které je odebíráno teplo. Voda je nasávána vodním čerpadlem, prochází potrubním systémem a poté vstupuje do výparníku - v zařízení se při zahřívání kapaliny odpařuje. Ve výparníku předává chladivo teplo freonu, pro který je malá kladná teplota 6 - 8 C bod varu a plynné chladivo vstupuje do kompresoru.

Tam se stlačuje, což vede ke zvýšení teploty plynu a dalšímu přívodu do kondenzátoru. V kondenzátoru Termální energie z plynu o teplotě 40 - 70 C přechází do vody v topném systému, ochlazený plyn kondenzuje a vstupuje do redukčního ventilu (škrticí klapky). Jeho tlak klesá – to vede k většímu ochlazení plynu do kapalného stavu, ve kterém je opět přiváděn do výparníku. Systém pracuje v kruhovém uzavřeném cyklickém režimu.

Výpočet tepelného čerpadla

Chcete-li navrhnout systém vlastníma rukama, musíte nejprve provést výpočet s ohledem na potřeby tepelné energie (čerpadla lze dodatečně použít k zásobování domu teplou vodou) a možné ztráty. Algoritmus výpočtu se skládá z následujících operací.

1. Vypočítá se plocha vytápěné místnosti.
2. Na základě získaných hodnot je stanoveno celkové množství energie potřebné na vytápění na základě výpočtu 70 - 100 wattů na metr čtvereční. Parametr závisí na výšce stropů, materiálu výroby a stupni tepelné vodivosti domu.
3. Při zajištění dodávky teplé vody se získaná hodnota zvýší o 15 - 20 %.
4. Na základě přijatého výkonu je vybrán kompresor a jsou vypočteny a navrženy hlavní součásti systému: potrubí, výparník, kondenzátor, elektrické čerpadlo a další komponenty.

Komponenty pro topný systém s tepelným čerpadlem při samostatné výrobě

Konkurovat průmyslovým tepelným čerpadlům tuzemských i zahraničních výrobců je pro běžného majitele domu poměrně obtížné, nicméně jeho instalace a výroba jednotlivých komponentů není nesplnitelný úkol. Hlavním úkolem při instalaci tepelného čerpadla zůstává správnost výpočtů, protože pokud dojde k chybě, systém může mít nízkou účinnost a stát se neúčinným.

Kompresor

Pro instalaci budete potřebovat nový nebo použitý. kompresor je v provozním stavu s nevyčerpaným zdrojem vhodného výkonu. Obvyklý výkon kompresoru by měl být 20 - 30 % vypočteného, ​​pro ledničky nebo spirálové klimatizace můžete použít standardní tovární jednotky, které mají oproti pístovým zařízením vyšší účinnost.

Výparník a kondenzátor

Pro chlazení a ohřev kapalin se obvykle vedou měděnými trubkami umístěnými v nádobě s výměníkem tepla. Pro zvětšení chladicí plochy je měděná trubka uspořádána ve tvaru spirály, potřebná délka se vypočítá podle vzorce pro výpočet plochy dělené průřezem. Objem teplosměnné nádrže je vypočítán na základě realizace efektivní výměny tepla, obvyklá průměrná hodnota je cca 120 litrů. U tepelného čerpadla je racionální použít trubky pro klimatizace, které mají zpočátku spirálový tvar a prodávají se ve svitcích.

Rýže. 3 Měděná trubka a nádrž pro výměník tepla

Mnoho výrobců tepelných čerpadel nahradilo tento způsob navrhování výměníků tepla kompaktnějším, využívajícím výměnu tepla na principu „potrubí v potrubí“. Standardní průměr plastové trubky pro výparník je 32 mm, je v ní umístěna měděná trubka o průměru 19 mm, výparník je tepelně izolován, celková délka výměníku je cca 10 - 12 m. Pro kondenzátor, můžete použít 25 mm. kov-plastová trubka a 12,7 mm. měď.

Pro zvětšení plochy a účinnosti tepelného výměníku někteří řemeslníci spletou oplet z několika měděných trubek malého průměru, zakryjí je tenkým drátem a konstrukci umístí do plastu. To vám umožní získat teplosměnnou plochu asi 1 krychlový metr na 10metrovém segmentu.

Termostatický ventil

Správně zvolené zařízení reguluje stupeň naplnění výparníku a je z velké části zodpovědné za výkon celého systému. Například, pokud je přívod chladiva příliš velký, nebude mít čas se úplně odpařit a do kompresoru vniknou kapky kapaliny, což povede k narušení jeho provozu a snížení teploty výstupního plynu. Příliš málo freonu ve výparníku po zvýšení teploty v kompresoru nebude stačit k ohřátí potřebného objemu vody.

Senzory

Pro snadné použití, sledování provozu, detekci poruch a nastavení systému je nutné mít zabudovaná teplotní čidla. Informace jsou důležité ve všech fázích provozu systému, pouze s jejich pomocí lze pomocí vzorců stanovit nejdůležitější parametr instalovaného zařízení pro vodní tepelná čerpadla - ukazatel účinnosti COP.

Čerpací zařízení

Při provozu tepelných čerpadel se voda odebírá a dodává ze studny, studny nebo otevřené nádrže pomocí vodních čerpadel. Lze použít ponorné nebo povrchové typy, většinou je jejich výkon malý, na dodávku vody stačí 100 - 200 W. Pro řízení provozu a ochranu čerpadel a systému jsou dodatečně instalovány filtry, manometr, vodoměry a jednoduchá automatika.

Sestavení zařízení tepelného čerpadla vlastníma rukama nepředstavuje žádné velké potíže, pokud víte, jak zacházet se speciálním nástrojem pro svařování a pájení mědi. Dokončená práce pomůže ušetřit značné finanční prostředky - náklady na komponenty budou asi 600 USD. To znamená, že nákup průmyslového vybavení bude stát 10krát více (asi 6000 USD). Samostatně sestavená konstrukce, pokud je správně vypočtena a konfigurována, má účinnost (COP) asi 4, což odpovídá průmyslovému vzoru.

Jak víte, tepelná čerpadla využívají bezplatné obnovitelné zdroje energie: nekvalitní teplo ze vzduchu, půdy, podzemních, otevřených, nezamrzajících nádrží, odpadní a odpadní vody a ovzduší, ale i odpadní teplo z technologických podniků. K jejímu sběru se spotřebuje elektřina, ale poměr množství přijaté tepelné energie k množství spotřebované elektrické energie je asi 3-7krát.

Pokud mluvíme pouze o zdrojích nekvalitního tepla kolem nás pro využití pro účely vytápění, je to; venkovní vzduch o teplotě -3 až +15 °C, vzduch odsávaný z místnosti (15-25 °C), podloží (4-10 °C) a podzemní vody (asi 10 °C), jezerní a říční vody (5 -10 °C), povrch země (pod bodem mrazu) (3-9 °C) a hloubka země (více než 6 m - 8 o C).

Odběr tepla z okolí (vnitřní obvod).

Do výparníku je pod nízkým tlakem čerpáno kapalné pracovní médium, chladivo. Tepelná úroveň teplot obklopujících výparník je vyšší než odpovídající bod varu pracovního média (chladivo je zvoleno tak, aby mohlo vřít i při teplotách pod nulou). Vlivem tohoto teplotního rozdílu dochází k předávání tepla do okolí, pracovního prostředí, které při těchto teplotách vře a vypařuje se (mění se v páru). Teplo potřebné k tomu se odebírá z některého z výše uvedených nízkopotenciálních zdrojů tepla.

Zjistěte více o obnovitelných zdrojích energie

Pokud je jako zdroj tepla zvolen atmosférický nebo větrací vzduch, používají se tepelná čerpadla pracující podle schématu vzduch-voda. Čerpadlo může být umístěno uvnitř nebo venku, s vestavěným nebo vzdáleným kondenzátorem. Vzduch je vháněn přes výměník tepla (výparník) pomocí ventilátoru.

Jako zdroj nízkopotenciální tepelné energie lze využít podzemní vody s relativně nízkou teplotou nebo půdu z povrchových vrstev země. Tepelný obsah půdní hmoty je obecně vyšší. Tepelný režim půdy v povrchových vrstvách země se utváří vlivem dvou hlavních faktorů - slunečního záření dopadajícího na povrch a toku radiogenního tepla z nitra země. Sezónní a denní změny intenzity slunečního záření a teploty venkovního vzduchu způsobují kolísání teploty svrchních vrstev půdy. Hloubka průniku denních výkyvů venkovní teploty vzduchu a intenzity dopadajícího slunečního záření se v závislosti na konkrétních půdních a klimatických podmínkách pohybuje od několika desítek centimetrů až po jeden a půl metru. Hloubka průniku sezónních výkyvů venkovní teploty vzduchu a intenzita dopadajícího slunečního záření zpravidla nepřesahuje 15-20 m.

Typy horizontálních výměníků tepla:

1. výměník tepla ze sériově zapojených trubek;
2. výměník tepla vyrobený z paralelně spojených trubek;
3. horizontální kolektor položený ve výkopu;
4. výměník tepla ve tvaru smyčky;
5. vodorovně umístěný výměník tepla ve tvaru spirály (tzv. „slinky“ kolektor);
6. výměník tepla ve formě spirály umístěné svisle.

Voda dobře akumuluje sluneční teplo. I v chladném zimním období má podzemní voda stálou teplotu +7 až +12°C. To je výhoda tohoto zdroje tepla. Díky konstantní teplotní hladině má tento zdroj tepla vysokou míru konverze prostřednictvím tepelného čerpadla po celý rok. Bohužel ne všude je podzemní voda dostupná v dostatečném množství. Při využití podzemní vody jako zdroje se dodávka provádí ze studny pomocí ponorného čerpadla ke vstupu do výměníku (výparníku) tepelného čerpadla pracujícího podle schématu „voda-voda/otevřený systém“; na výstupu z výměníku je voda buď přečerpána do jiné studny, nebo vypuštěna do jímky. Výhodou otevřených systémů je možnost získání velké množství tepelné energie za relativně nízké náklady. Studny však vyžadují údržbu. Navíc použití takových systémů není možné ve všech oblastech. Hlavní požadavky na půdu a podzemní vodu jsou následující:
- dostatečná propustnost půdy umožňující doplnění zásob vody;
- dobré chemické složení podzemní vody (například nízký obsah železa), které zabraňuje problémům spojeným s tvorbou usazenin na stěnách potrubí a korozí.

Otevřené systémy se častěji používají k zásobování vytápění nebo chlazení velkých budov. Největší geotermální systém přenosu tepla na světě využívá podzemní vodu jako zdroj nekvalitní tepelné energie. Tento systém se nachází v USA v Louisville, Kentucky. Systém slouží pro zásobování teplem a chladem hotelového a kancelářského komplexu; jeho výkon je přibližně 10 MW.

Vezměme si další zdroj - nádrž, na její dno lze položit smyčky plastové trubky, schéma „voda-voda/uzavřený systém“. Potrubím cirkuluje roztok etylenglykolu (nemrznoucí kapalina), který předává teplo chladivu přes tepelný výměník (výparník) tepelného čerpadla.
Půda má schopnost akumulovat sluneční energii po dlouhou dobu, což zajišťuje relativně rovnoměrnou teplotu zdroje tepla po celý rok a tím i vysoký konverzní koeficient tepelného čerpadla. Teplota v horních vrstvách půdy se mění v závislosti na ročním období. Pod hranicí mrazu jsou tyto teplotní výkyvy výrazně sníženy. Teplo akumulované v zemi je odebíráno vodorovně uloženými utěsněnými výměníky tepla, nazývanými také zemní kolektory, nebo vertikálně uloženými výměníky tepla, tzv. geotermálními sondami. Okolní teplo předává směs vody a etylenglykolu (solný roztok nebo médium), jejíž bod tuhnutí by měl být přibližně -13°C (berte v úvahu údaje výrobce). Díky tomu solanka během provozu nezamrzá.
To znamená, že existují dvě možné možnosti, jak získat nekvalitní teplo ze země. Horizontální pokládka plastových trubek do výkopů o hloubce 1,3-1,7 m, dle klimatických podmínek oblasti nebo vertikálních vrtů o hloubce 20-100 m. Pokládku potrubí do výkopů lze provést i formou spirály, ale při hloubce pokládky 2-4 m se tím výrazně zkrátí celková délka rýh. Maximální prostup tepla povrchové zeminy je od 7 do 25 W/m.p., od geotermálního 20-50 W/m.p. Životnost příkopů a studní je podle výrobních společností více než 100 let.

Ještě něco málo o vertikálních zemních výměnících tepla.

Od roku 1986 probíhá výzkum systému s vertikálními zemními výměníky tepla ve Švýcarsku poblíž Curychu. V půdní mase byl instalován vertikální koaxiální zemní výměník tepla o hloubce 105 m. Tento výměník byl použit jako zdroj nekvalitní tepelné energie pro teplosměnný systém instalovaný v jednobytovém bytovém domě. Vertikální zemní výměník tepla poskytoval špičkový výkon přibližně 70 W na metr délky, čímž došlo k výraznému tepelnému zatížení okolní zemní hmoty. Roční produkce tepelné energie je cca 13 MWh.
Ve vzdálenosti 0,5 a 1 m od hlavního vrtu byly provedeny další dva vrty, ve kterých byla instalována teplotní čidla v hloubce 1, 2, 5, 10, 20, 35, 50, 65, 85 a 105 m, načež byly jamky naplněny hlinito-cementovou směsí. Teploty byly měřeny každých třicet minut. Kromě teploty země byly zaznamenávány další parametry: rychlost pohybu chladicí kapaliny, spotřeba energie pohonem kompresoru, teplota vzduchu atd.

První období pozorování trvalo od roku 1986 do roku 1991. Měření ukázala, že vliv tepla venkovního vzduchu a slunečního záření je pozorován v povrchové vrstvě půdy v hloubce až 15 m. Pod touto úrovní se tepelný režim půdy tvoří především vlivem tepla nitra země. Během prvních 2-3 let provozu teplota zeminy obklopující vertikální výměník prudce klesla, ale každým rokem se pokles teploty snižoval a po několika letech se systém dostal do režimu blízkého konstantní, kdy teplota hmota zeminy kolem tepelného výměníku byla o 1 nižší než původní -2 °C.

Na podzim roku 1996, deset let po zahájení provozu systému, byla měření obnovena. Tato měření ukázala, že přízemní teplota se výrazně nezměnila. V dalších letech byly zaznamenány mírné výkyvy přízemní teploty v rozmezí 0,5 °C v závislosti na roční topné zátěži. Systém tak po prvních letech provozu dosáhl kvazistacionárního režimu.

Na základě experimentálních dat byly sestrojeny matematické modely procesů probíhajících v půdní mase, které umožnily dlouhodobě předpovídat změny teploty půdní hmoty.

Matematické modelování ukázalo, že roční pokles teploty se bude postupně snižovat a objem půdní hmoty kolem výměníku tepla, podléhající poklesu teploty, bude každým rokem narůstat. Na konci provozní doby začíná proces regenerace: teplota půdy začíná stoupat. Povaha regeneračního procesu je podobná povaze procesu „výběru“ tepla: v prvních letech provozu dochází k prudkému nárůstu teploty půdy a v dalších letech se rychlost nárůstu teploty snižuje. Délka doby „regenerace“ závisí na délce provozní doby. Tato dvě období jsou přibližně stejná. V posuzovaném případě byla doba provozu zemního výměníku třicet let a doba „regenerace“ se rovněž odhaduje na třicet let.

Systémy vytápění a chlazení budov využívající nekvalitní teplo ze země tak představují spolehlivý zdroj energie, který lze využít všude. Tento zdroj lze využívat poměrně dlouhou dobu a lze jej na konci provozní doby obnovit.

Výpočet horizontálního kolektoru tepelného čerpadla

Odvod tepla z každého metru potrubí závisí na mnoha parametrech: hloubka uložení, přítomnost podzemní vody, kvalita půdy atd. Přibližně můžeme předpokládat, že pro horizontální kolektory je to 20 W.m.p. Přesněji: suchý písek - 10, suchá hlína - 20, mokrá hlína - 25, hlína s vysokým obsahem vody - 35 W.m.p. Rozdíl teplot chladicí kapaliny v dopředném a zpětném potrubí smyčky se ve výpočtech obvykle bere jako 3 °C. Na místě kolektoru by se neměly stavět žádné budovy tak, aby teplo země, tzn. náš zdroj energie byl doplněn energií ze slunečního záření.

Minimální vzdálenost mezi uloženými trubkami musí být minimálně 0,7-0,8 m. Délka jednoho výkopu se může pohybovat od 30 do 150 m, důležité je, aby délky napojených okruhů byly přibližně stejné. Jako primární chladivo se doporučuje použít roztok etylenglykolu (médium) s bodem tuhnutí přibližně -13 o C. Při výpočtech je třeba vzít v úvahu, že tepelná kapacita roztoku při teplotě 0 °C je 3,7 kJ/(kg K) a hustota je 1,05 g/cm3. Při použití média je tlaková ztráta v potrubí 1,5x větší než při cirkulační vodě. Pro výpočet parametrů primárního okruhu instalace tepelného čerpadla budete muset určit průtok média:

Vs = Qo 3600 / (1,05 3,7 .t),
kde t je teplotní rozdíl mezi přívodním a zpětným vedením, který se často rovná 3 o K. Potom Qo je tepelný výkon přijímaný z nízkopotenciálního zdroje (země). Druhá hodnota se vypočítá jako rozdíl mezi celkovým výkonem tepelného čerpadla Qwp a elektrickým výkonem vynaloženým na ohřev chladiva P:

Qo = Qwp - P, kW.

Celková délka kolektorových trubek L a celková plocha plochy A pro ni se vypočítá pomocí vzorců:

Zde q je specifický (z 1 m potrubí) odvod tepla; da - vzdálenost mezi trubkami (rozteč pokládky).

Příklad výpočtu. Tepelné čerpadlo.
Výchozí podmínky: potřeba tepla chaty o rozloze 120-240 m2 (na základě tepelných ztrát s přihlédnutím k infiltraci) - 13 kW; Teplota vody v topném systému je brána 35 °C (podlahové vytápění); Minimální teplota chladicí kapaliny na výstupu do výparníku je 0 °C. Pro vytápění objektu bylo ze stávající technické řady zařízení vybráno tepelné čerpadlo o výkonu 14,5 kW se zohledněním ztrát na viskozitě média při výběru a předání tepelné energie ze země ve výši 3,22 kW. Odvod tepla z povrchové vrstvy zeminy (suchý jíl), q se rovná 20 W/t. Podle vzorců vypočítáme:

1) požadovaný tepelný výkon kolektoru Qo = 14,5 - 3,22 = 11,28 kW;
2) celková délka potrubí L = Qo/q = 11,28/0,020 = 564 m.p. K uspořádání takového kolektoru bude zapotřebí 6 okruhů o délce 100 m;
3) s krokem pokládky 0,75 m je požadovaná plocha pozemku A = 600 x 0,75 = 450 m2;
4) celková náplň roztoku etylenglykolu Vs = 11,28 3600/ (1,05 3,7 3) = 3,51 m3, v jednom okruhu je 0,58 m3.

Pro instalaci kolektoru vybíráme plastovou trubku o velikosti 32x3. Tlaková ztráta v něm bude 45 Pa/m.p.; odpor jednoho obvodu je přibližně 7 kPa; rychlost proudění chladicí kapaliny - 0,3 m/s.

Výpočet sondy

Při použití vertikálních vrtů o hloubce 20 až 100 m se do nich ponoří plastové trubky ve tvaru U (o průměrech od 32 mm). Zpravidla se do jedné jamky vloží dvě smyčky naplněné suspenzním roztokem. V průměru může být měrný odvod tepla takové sondy roven 50 W/m.p. Můžete se také zaměřit na následující údaje o odvodu tepla:

• suché sedimentární horniny - 20 W/m;
• kamenitá půda a vodou nasycené sedimentární horniny - 50 W/m;
• horniny s vysokou tepelnou vodivostí - 70 W/m;
• podzemní voda - 80 W/m.

Teplota půdy v hloubce více než 15 m je konstantní a je přibližně +9 °C. Vzdálenost mezi studnami by měla být větší než 5 m. Při výskytu podzemních toků by měly být studny umístěny na linii kolmé k toku.
Výběr průměrů potrubí se provádí na základě tlakových ztrát pro požadovaný průtok chladicí kapaliny. Výpočet průtoku kapaliny lze provést pro t = 5 °C.

Příklad výpočtu.

Výchozí údaje jsou stejné jako ve výše uvedeném výpočtu horizontální nádrže. Při měrném odvodu tepla sondy 50 W/m a požadovaném výkonu 11,28 kW by délka sondy L měla být 225 m.
Pro instalaci kolektoru je nutné vyvrtat tři studny o hloubce 75 m. Do každé z nich umístíme dvě potrubní smyčky standardní velikosti 32x3; celkem - 6 okruhů po 150 m.

Celkový průtok chladicí kapaliny při t = 5 °C bude 2,1 m3/h; průtok jedním okruhem je 0,35 m3/h. Okruhy budou mít následující hydraulické charakteristiky: tlaková ztráta v potrubí - 96 Pa/m (chladivo - 25% roztok etylenglykolu); odpor obvodu - 14,4 kPa; rychlost proudění - 0,3 m/s.

Výběr vybavení

Protože se teplota nemrznoucí směsi může měnit (od -5 do +20 °C), je v primárním okruhu instalace tepelného čerpadla nutná hydraulická expanzní nádoba.
Rovněž se doporučuje instalovat akumulační nádrž na topné (kondenzační) potrubí tepelného čerpadla: kompresor tepelného čerpadla pracuje v režimu „zapnuto-vypnuto“. Příliš časté starty mohou vést k urychlenému opotřebení jeho částí. Nádrž je také užitečná jako zásobník energie v případě výpadku proudu. Jeho minimální objem je odebírán v poměru 20-30 litrů na 1 kW výkonu tepelného čerpadla.

Při použití bivalence je druhý zdroj energie (elektrický, plynový, kapalný nebo kotel na tuhá paliva) připojen k okruhu přes bateriový zásobník, který je zároveň tepelným hydraulickým rozdělovačem, aktivace kotle je řízena tepelným čerpadlem popř. automatizační systém vyšší úrovně.
V případě možných výpadků proudu můžete zvýšit výkon instalovaného tepelného čerpadla o faktor vypočítaný podle vzorce: f = 24/(24 - t off), kde t off je doba trvání přerušení dodávky elektřiny.

V případě možného výpadku proudu na 4 hodiny bude tento koeficient roven 1,2.
Výkon tepelného čerpadla lze volit na základě monovalentního nebo bivalentního režimu jeho provozu. V prvním případě se předpokládá využití tepelného čerpadla jako jediného generátoru tepelné energie.

Je třeba vzít v úvahu: i u nás je trvání období s nízkými teplotami vzduchu malou částí topné sezóny. Například pro Centrální region V Rusku je doba, kdy teplota klesne pod -10 °C, pouze 900 hodin (38 dní), zatímco samotná sezóna trvá 5112 hodin a průměrná teplota v lednu je přibližně -10 °C. Proto je nejvhodnější provozovat tepelné čerpadlo v bivalentním režimu, což zahrnuje zapnutí přídavného zdroje v obdobích, kdy teplota vzduchu klesne pod určitou úroveň: -5 °C v jižních oblastech Ruska, -10 °C v centrální regiony. To umožňuje snížit náklady na tepelné čerpadlo a zejména na instalaci primárního okruhu (kladení rýh, vrtání studní atd.), které se s rostoucím instalačním výkonem velmi zvyšují.

V podmínkách centrální oblasti Ruska se pro hrubý odhad při výběru tepelného čerpadla pracujícího v bivalentním režimu můžete zaměřit na poměr 70/30: 70 % potřeby tepla pokryje tepelné čerpadlo a zbývajících 30 % elektrickým nebo jiným zdrojem tepelné energie. V jižních oblastech se můžete řídit poměrem výkonu tepelného čerpadla a doplňkového zdroje tepla, často používaného v západní Evropě: 50 na 50.

Pro chatu o ploše 200 m2 pro 4 osoby s tepelnými ztrátami 70 W/m2 (počítáno při venkovní teplotě -28 °C) bude potřeba tepla 14 kW. K této hodnotě je třeba připočítat 700 W na přípravu teplé užitkové vody. Ve výsledku bude požadovaný výkon tepelného čerpadla 14,7 kW.

Pokud existuje možnost dočasného výpadku proudu, musíte toto číslo zvýšit o příslušný faktor. Dejme tomu, že denní doba odstávky je 4 hodiny, pak by měl být výkon tepelného čerpadla 17,6 kW (faktor narůstající - 1,2). V případě monovalentního režimu si můžete vybrat tepelné čerpadlo země-voda o výkonu 17,1 kW se spotřebou 6,0 kW elektrické energie.

U bivalentního systému s přídavným elektrickým ohřívačem a teplotou přívodu studené vody 10 °C pro potřebu teplé vody a bezpečnostní faktor by měl být výkon tepelného čerpadla 11,4 W a elektrokotle - 6,2 kW (celkem - 17.6). Špičkový elektrický výkon spotřebovaný systémem bude 9,7 kW.

Přibližné náklady na elektřinu spotřebovanou za sezónu, když tepelné čerpadlo pracuje v monovalentním režimu, budou 500 rublů a v bivalentním režimu při teplotách pod (-10C) - 12 500. Náklady na energii při použití pouze vhodného kotle budou: elektřina - 42 000, motorová nafta - 25 000 a plyn - asi 8 000 rublů. (za přítomnosti dodávaného potrubí a nízkých cen plynu existujících v Rusku). V současné době se na naše poměry účinností provozu tepelné čerpadlo vyrovná pouze plynovému kotli nové řady a provozními náklady, životností, bezpečností (není potřeba kotelny) a ekologií předčí všechny jiné druhy výroby tepelné energie.

Uvědomte si, že při instalaci tepelných čerpadel byste se měli v první řadě postarat o zateplení budovy a instalaci oken s dvojitým zasklením s nízkou tepelnou vodivostí, která sníží tepelné ztráty budovy, a tím i náklady na práci a vybavení.

Vzhledem k tomu, že tepelné čerpadlo je zařízení, které vyžaduje poměrně značné náklady na pořízení a instalaci, je třeba otázku jeho výběru řešit zvlášť pečlivě. První, co musí potenciální kupec udělat, je provést alespoň přibližný výpočet výkonu zařízení, který je vhodný pro efektivní provoz v konkrétních podmínkách. Pro vypracování návrhu tepelného čerpadla se samozřejmě můžete obrátit na specialisty, ale abyste odhadli přibližné náklady, můžete si některé prvotní kalkulace udělat sami.

Tepelné čerpadlo, jehož konstrukce je poměrně složitý podnik, se volí v závislosti na ploše domu, stupni jeho izolace a průměrných hodnotách teploty v chladném období. Kompletní projekt kromě výpočtu potřebného výkonu zahrnuje stanovení parametrů zemního rezervoáru pro geotermální čerpadlo, výpočet počtu a průměru potrubí pro studnu v případě systému voda-voda. Správný výpočet tepelného čerpadla zahrnuje zohlednění mnoha faktorů: od vlastností půdy na místě až po materiál, ze kterého je dům postaven.

Vývoj systému vytápění na bázi tepelného čerpadla

Pokud máte vážný zájem o tak progresivní způsob vytápění domu, jakým jsou tepelná čerpadla, pak je nejlepší dát přednost službám specialistů se specializovaným vzděláním a bohatými zkušenostmi s prací s takovým zařízením. Správný vývoj tepelného čerpadla a celého topného systému pro domácnost vám totiž umožní na mnoho let zapomenout na problémy s teplem a užívat si stabilní efektivní práce zařízení.

V první řadě se vyplatí rozhodnout o zdroji tepla, které se přemění na energii pro chladicí kapalinu v topném systému. Zda se jedná o půdu, vodu nebo vzduch, rozhoduje jak o výrobě tepelných čerpadel (nebo spíše o technologii výroby), tak o produktivitě a ceně samotného zařízení a montážních prací. Jedním z nejúčinnějších systémů je voda-voda, ale vyžaduje přítomnost nádrže v blízkosti domu nebo dostatečné množství spodní vody na místě.

Za zvážení stojí, že tepelné čerpadlo je spíše využíváno pro nízkoteplotní zdroje tepla, ideálně kombinované se systémem „teplé podlahy“, ale možná je i kombinace s tradičními generátory. Při výběru tepelných čerpadel je jejich tepelný výpočet proveden tak, aby se zohlednilo, zda je schopno samostatně vytápět místnost i v těch nejextrémnějších mrazech, nebo zda je nutné v systému zajistit doplňkový zdroj tepla. , například elektrokotel. Termodynamický výpočet zohledňuje minimální teploty, kterých lze v zimě dosáhnout.

Je také nutné počítat s potřebou zásobování teplou vodou v domácnosti, pokud je taková funkčnost požadována, pak se do požadovaného výkonu započítává dalších 20 %.

Příklad výpočtu tepelného čerpadla

Máme tedy dvoupatrovou budovu o rozloze 250 m2. s výškou stropu 2,7 m. Předpokládejme, že teplota v místnosti je +20°C a venku -26°C. Dále spočítáme výkon tepelného čerpadla pro vytápění domu:

0,434*250*2,7*(20-(-26)) = 13475,7 kW - maximální požadovaný topný výkon v souladu s SP 50.13330-2012

Tento výpočet neznamená velké ztráty. Ztráty v tomto případě mohou být dokonce nižší než 13475,7 kW.

Přesnější tepelné výpočty lze provést individuálně. Zohlední všechny materiály stěn, oken, stropů atd.

Výpočet okruhu tepelného čerpadla, který bude sloužit k vytápění a chlazení místnosti, je složitější a provádějí jej specialisté.