Căutarea surselor alternative care furnizează energie pentru multe domenii ale activității umane a devenit recent o sarcină urgentă. Oamenii tind să folosească mai activ energia soarelui, vântului și a surselor de apă pentru a reduce costul rezolvării problemelor asociate cu alimentarea cu căldură a clădirilor. În același timp, problema ecologiei este de o importanță nu mică, deoarece reducerea emisiilor nocive care poluează atmosfera este mai importantă ca niciodată.

Pentru a crea condiții de locuit favorabile și confortabile în sectorul rezidențial, în ultimii ani au fost utilizate turbine eoliene, colectoare solare, generatoare de căldură economice, concomitent cu implementarea măsurilor care ajută la creșterea izolației termice a unei instalații de alimentare cu căldură.

Potrivit profesioniștilor care lucrează în acest domeniu, utilizarea surselor geotermale de energie termică - pompe speciale - este considerată o măsură eficientă și economică. Dispozitivul lor fundamental vă permite să extrageți căldură din mediu, să o transformați și să o mutați la locul de aplicare (mai detaliat: "").

Sursele de energie pentru pompele de căldură sunt apa, aerul, solul, iar procesul de generare a căldurii are loc datorită utilizării proprietăților fizice ale anumitor substanțe numite agenți frigorifici. Sunt capabili să fiarbă chiar și la temperaturi scăzute.

Procedura de calcul pentru pompele de caldura

Rezultatul calculului depinde în principal de caracteristicile individuale ale clădirii încălzite și constă din mai multe etape:

1. În primul rând, ele determină pierderea de căldură care are loc prin anvelopa clădirii (acestea includ ferestre, uși, pereți, tavane). Pentru a face acest lucru, utilizați următoarea formulă:
   
   Qoc \u003d Sx (tin - tout) x (1 + Σ β) x n / Rt (W), undeS - suma suprafețelor tuturor structurilor de împrejmuire (m²);
   tvn - temperatura aerului din interiorul clădirii (°С);
   tout - temperatura aerului exterior (°C);
   
   n este un coeficient care reflectă influența spațiului înconjurător asupra caracteristicilor structurii. Dacă camera este în contact direct cu mediul exterior prin podea, atunci acest indicator este 1. Când obiectul are podele de mansardă, n este 0,9. Dacă obiectul este situat deasupra subsolului, coeficientul este 0,75 (mai multe detalii: "").
   β este coeficientul de pierdere suplimentară de căldură, în funcție de tipul clădirii și de localizarea sa geografică. Acest indicator, la calcularea pompei de căldură, este în intervalul de la 0,05 la 0,27;Rt este un indicator al rezistenței termice, care este determinat de următoarea formulă:Rt \u003d 1 / α în interior + Σ (δі / λі) + 1 / α în exterior (m²x ° С / W), unde:α int - coeficient care caracterizează absorbția termică a suprafețelor interioare ale structurilor de gard (W / m²x ° С);
   δі / λі - este un indicator calculat al conductivității termice a materialelor utilizate în construcții;
   α nar - valoarea disipării termice a suprafețelor exterioare ale structurilor de gard (W / m²x ° С);
2. Apoi, pentru a face calculul pompelor de căldură, aplicați formula pentru a determinapierderea totală de căldură a clădirii:
   
   Qt.pot \u003d Qok + Qi - Qbp, unde:
   
   Qi - costul încălzirii aerului care intră prin locuri naturale libere;
   Qbp ​​​​este eliberarea de căldură ca urmare a funcționării aparatelor de uz casnic și a activității umane.
3. În această etapă, energia termică consumată este calculată pentru fiecare dintre obiectele pe parcursul anului:Qan = 24x0,63xQt. sudoare.х((dх (tin - tout)/ (tin - tout)) kWh), unde:
   tout.avg - media aritmetică a temperaturilor care se înregistrează la aerul exterior pe toată perioada de încălzire;
   d este numărul de zile din sezonul de încălzire.
4. Apoi trebuie să determinați puterea termică necesară pentru a încălzi apa în timpul anului, pentru care este folosită expresia:
   
   Qhv \u003d V x17 (kW / oră pentru un an calendaristic), unde
   V x17 - volumul zilnic de încălzire a apei până la 50 ° С.
5. Consumul total de energie termică este determinat de formula:
   
   Q \u003d Qgw + Qan (kW / h timp de un an)

1.1 este un factor de corecție, deoarece atunci când apar temperaturi critice, sarcinile pe pompa de căldură pot crește.

Când se fac calculele necesare, este ușor să alegeți o pompă de căldură potrivită pentru o cameră dată, care va oferi un microclimat confortabil în ea pentru oamenii din cameră.

Cum se calculează costul încălzirii unei case de țară?

Calculele se fac pe baza următorilor parametri:

Primul parametru sunt costurile de operare. Pentru a determina aceste costuri, merită să luați în considerare costul combustibilului care va fi folosit pentru a genera căldură. Acest articol include și costurile de întreținere. Cel mai profitabil din acest parametru va fi încălzirea, al cărei purtător de energie va fi gazul principal furnizat. Următoarea cea mai eficientă este POMPA DE CĂLDURĂ.

Al doilea parametru este costul achiziției de echipamente și al instalării acestuia. Cea mai profitabilă și economică în etapa de cumpărare și instalare va fi achiziționarea unui cazan electric. Costurile maxime sunt de așteptat dacă decideți să achiziționați cazane, unde purtătorii de energie sunt gaz lichefiat în rezervoare de gaz sau motorină. Și aici POMPA DE CĂLDURĂ este optimă.

Al treilea parametru ar trebui să fie considerat confortul atunci când se utilizează echipamente de încălzire. Cazanele cu combustibil solid în acest caz pot fi remarcate ca fiind cele mai solicitante de atenție. Acestea necesită prezența dumneavoastră și reîncărcarea combustibilului, în timp ce cele alimentate cu energie electrică și pe gaz funcționează independent. Prin urmare, cazanele pe gaz și electrice sunt cele mai confortabile de utilizat la încălzirea caselor de țară. Și aici POMPA DE CĂLDURĂ are un avantaj. Climatizarea este cea mai confortabilă caracteristică a pompelor de căldură.

Începând de astăzi, situația prețurilor în regiunea Moscova este următoarea... Conectarea gazului la case private costă aproximativ 600.000 de ruble. De asemenea, necesită lucrări de proiectare și aprobări adecvate, care uneori se întind ani de zile și costă și bani. Adăugați aici costul echipamentului și perioada relativ scurtă de uzură (de aceea lucrătorii pe gaz oferă cazane pe gaz mai puternice, astfel încât uzura și arderea cazanului să dureze mai mult). Încălzirea la pompe de căldură este deja comparabilă cu prețul de mai sus, dar nu necesită aprobări. O pompă de căldură este un aparat electrocasnic obișnuit care consumă de 4 ori mai puțină energie electrică decât un cazan electric convențional și este, de asemenea, un dispozitiv de climatizare, adică un aparat de aer condiționat. Resursa motorie a pompelor de căldură moderne și chiar și a celor mai de înaltă calitate (clasa premium), le permite să funcționeze mai mult de 20 de ani.

Dăm exemple de calculare a pompelor de căldură pentru diverse tipuri și dimensiuni de case.

Mai întâi trebuie să determinați pierderea de căldură a clădirii dvs., în funcție de regiunea de locație. Citiți mai multe în „Știri complete”

În primul rând, este necesar să se determine puterea pompei de căldură sau a cazanului, deoarece aceasta este una dintre caracteristicile tehnice decisive. Este selectat pe baza mărimii pierderii de căldură a clădirii. Calculul echilibrului termic al casei, ținând cont de caracteristicile designului acesteia, ar trebui efectuat de un specialist, totuși, pentru o evaluare aproximativă a acestui parametru, dacă clădirea casei este proiectată ținând cont de codurile de construcție, poate folosi următoarea formulă:
Q = k V ∆T
1 kWh = 860 kcal/h
Unde
Q - pierderi de căldură, (kcal/h)
V este volumul camerei (lungime × lățime × înălțime), m3;
ΔT - diferența maximă dintre temperatura aerului din exterior și din interiorul încăperii iarna, °С;
k este coeficientul generalizat de transfer termic al clădirii;
k \u003d 3 ... 4 - clădire din scânduri;
k \u003d 2 ... 3 - pereți de cărămidă într-un singur strat;
k min-max \u003d 1 ... 2 - zidărie standard (cărămidă în două straturi);

k \u003d 0,6 ... 1 - clădire bine izolată;

Un exemplu de calcul al puterii unui cazan pe gaz pentru casa ta:

Pentru o clădire cu un volum de V = 10m × 10m × 3m = 300 m3;

Pierderea de căldură a unei clădiri din cărămidă (k max \u003d 2) va fi:
Q \u003d 2 × 300 × 50 \u003d 30000 kcal / h \u003d 30000 / 860 \u003d 35 kW
Aceasta va fi puterea minimă necesară a cazanului, calculată la maxim...

De obicei, se selectează o rezervă de putere de 1,5 ori, totuși ar trebui să se țină cont de factori precum ventilația în funcționare constantă a încăperii, ferestrele și ușile deschise, o suprafață mare de geam etc. Dacă se intenționează să se utilizeze un cazan cu dublu circuit (încălzirea spațiului și alimentarea cu apă caldă), atunci capacitatea acestuia ar trebui să crească în continuare cu 10 - 40%. Aditivul depinde de cantitatea de apă caldă consumată.

Un exemplu de calcul al puterii unei pompe de căldură pentru casa dvs.:

La ΔT = (Tvn - Tnar) = 20 - (-30) = 50°C;
Pierderea de căldură a unei clădiri din cărămidă (k min \u003d 1) va fi:
Q \u003d 1 × 300 × 50 \u003d 15000 kcal / h \u003d 30000 / 860 \u003d 17 kW
Aceasta va fi puterea minimă necesară a cazanului, calculată la minimum, deoarece pompa de căldură nu are ardere, iar resursa depinde de resursa motorului și de ciclism în timpul zilei... Pentru a reduce numărul de cicluri de pornire/oprire ale pompei de căldură se folosesc rezervoare de stocare a căldurii.

Deci: aveți nevoie ca pompa de căldură să circule de 3-5 ori pe oră.
acestea. 17 kW/s oră -3 cicluri

Veți avea nevoie de un rezervor tampon - 3 cicluri - 30 l / kW; 5 cicluri - 20 l/kW.

17 kW*30l=500l capacitate de depozitare!!! Calculele sunt aproximative, aici o baterie mare e buna, dar in practica pun 200 de litri.

Acum să calculăm costul unei pompe de căldură și al instalării acesteia pentru casa ta:

Volumul clădirii este același V = 10m × 10m × 3m = 300 m3;
Puterea aproximativă am calculat-o -17kW. Diferiți producători au o gamă diferită de capacități, așa că alegeți o pompă de căldură în funcție de calitate și cost împreună cu consultanții noștri. De exemplu, Waterkotte are o pompă de căldură de 18kW, dar puteți furniza și 15kW, deoarece în cazul unei puteri insuficiente există un vârf de 6kW mai aproape în fiecare pompă de căldură. Reîncălzirea maximă durează un timp relativ scurt și, prin urmare, nu este nevoie să plătiți prea mult pentru o pompă de căldură. Prin urmare, poți alege și 15 kW, pentru că pe termen scurt 15+6=21kW este mai mare decât nevoile tale de căldură.

Să ne oprim la 18kW. Precizați costul unei pompe de căldură cu consultanți, deoarece astăzi condițiile de livrare sunt „ca să spunem ușor” imprevizibile. Prin urmare, site-ul prezintă fabrica.

Dacă vă aflați în regiunile sudice, atunci pierderea de căldură a casei dvs. pe baza calculelor de mai sus va fi mai mică, deoarece ΔT \u003d (Tvn - Tnar) \u003d 20 - (-10) \u003d 30 ° С. și apoi ΔT \u003d (Tvn - Tnar) \u003d 20 - (-0) \u003d 20 ° С. Puteți alege o pompă de căldură cu o putere mai mică și, în plus, după principiul de funcționare „aer-apă”. Pompele noastre de căldură cu sursă de aer funcționează eficient până la -25 de grade și, prin urmare, nu este necesară forarea.

În centrul Rusiei și Siberia, pompele de căldură geotermale care funcționează pe principiul „apă-apă” sunt mult mai eficiente.

Forarea pentru un câmp geotermal va costa diferit, în funcție de regiune. În regiunea Moscova, calculul costului este după cum urmează:

Luăm puterea pompei noastre de căldură -18kW. Consumul electric al unei astfel de pompe de căldură terestre este de aproximativ 18/4=4,5 kWh de la priză. Waterkotte are și mai puțin (această caracteristică se numește COP. Pompele de căldură Waterkotte au un COP de 5 sau mai mult). Conform legii conservării energiei, energia electrică este transferată în sistem, fiind transformată în energie termică.Puterea lipsă o primim de la o sursă geotermală, adică de la sonde care trebuie să fie forate. 18-4,5 = 13,5 kW de la Pământ de exemplu (deoarece sursa în acest caz poate fi un colector orizontal, un iaz etc.).

Transferul de căldură al solurilor în diferite locuri, chiar și în regiunea Moscovei, este diferit. În medie, de la 30 la 60 W la 1 rpm, în funcție de umiditatea solului.

13,5 kW sau 13500 W împărțit la transferul de căldură. in medie este 50W deci 13500/50=270 metri. Lucrările de foraj costă în medie 1200 de ruble / m.p. Primim 270 * 1200 \u003d 324000 ruble. la cheie cu intrare la punctul de căldură.

Costul unei pompe de căldură din clasa economică = 6-7 mii de dolari. acestea. 180-200 mii de ruble

Costul TOTAL 324 mii + 180 mii = 504 mii ruble

Adăugați costul de instalare și costul unui acumulator de căldură și veți obține puțin mai mult de 600 de mii de ruble, ceea ce este comparabil cu costul furnizării gazului principal. Q.E.D.

Utilizarea căldurii ambientale cu potențial scăzut pentru încălzirea și încălzirea apei devine benefică din punct de vedere economic cu utilizarea pe termen lung a sistemului. Un obstacol în calea distribuției largi a unor astfel de dispozitive este costul inițial ridicat al echipamentului și al instalării acestuia. Prin urmare, o instalare completă sau parțială a unei pompe de căldură cu propriile mâini este întotdeauna relevantă, ceea ce vă permite să economisiți fonduri semnificative.

Orez. 1 Pompă de căldură apă-apă în casă

La crearea pompelor de căldură pentru încălzire, se utilizează căldură naturală de calitate scăzută a maselor de aer, sol și apă. Speciile acvatice absorb energia termică din fântâni, fântâni, iazuri și alte corpuri de apă deschise. O pompă de căldură funcționează ca un frigider, preluând căldură din compartimentul frigiderului și expulzând-o afară printr-un radiator extern.

În timpul instalării, schimbătorul de căldură primar cu lichid de răcire circulant este plasat într-un recipient cu apă, din care se preia căldură. Apa este aspirată de o pompă de apă, trece prin sistemul de conducte și apoi intră în evaporator - în dispozitiv, atunci când lichidul este încălzit, acesta se evaporă. În evaporator, lichidul de răcire transferă căldură către freon, pentru care o temperatură pozitivă mică de 6 - 8 C este punctul de fierbere, iar agentul frigorific gazos intră în compresor.

Acolo, este comprimat, ceea ce duce la o creștere a temperaturii gazului și este alimentat în continuare la condensator. În condensator, energia termică din gaz cu o temperatură de 40 - 70 C este transferată în apă din sistemul de încălzire, gazul răcit se condensează și intră în supapa de reducere a presiunii (accelerator). Presiunea sa scade - acest lucru duce la o răcire mai mare a gazului la o stare lichidă, în care este din nou alimentat în evaporator. Sistemul funcționează într-un mod circular închis și ciclic.

Calcul pompei de caldura

Pentru a proiecta un sistem de do-it-yourself, în primul rând, este necesar să se efectueze un calcul ținând cont de nevoile de energie termică (pompele pot fi folosite suplimentar pentru a furniza apă caldă acasă) și posibilele pierderi. Algoritmul de calcul constă din următoarele operații.

1. Se calculează suprafața camerei încălzite.
2. Pe baza valorilor obținute, cantitatea totală de energie necesară pentru încălzire se determină pe baza calculului de 70 - 100 wați pe metru pătrat. Parametrul depinde de înălțimea tavanelor, de materialul de fabricație și de gradul de conductivitate termică a casei.
3. La furnizarea apei calde, valoarea obtinuta este crescuta cu 15 - 20%.
4. Pe baza puterii primite, se selectează un compresor, se calculează și se proiectează principalele componente ale sistemului: conductă, evaporator, condensator, pompă electrică și alte componente.

Accesorii pentru un sistem de incalzire cu pompa de caldura pentru auto-fabricare

Este destul de dificil pentru un proprietar obișnuit să concureze cu pompele de căldură industriale interne și străine, cu toate acestea, instalarea și fabricarea componentelor individuale nu sunt locuri de muncă imposibile. Sarcina principală în construcția unei pompe de căldură rămâne corectitudinea calculelor, deoarece în cazul unei erori, sistemul poate avea o eficiență scăzută și poate deveni ineficient.

Compresor

Pentru instalare, veți avea nevoie de unul nou sau folosit. compresorul este în stare de funcționare cu o resursă neutilizată de putere adecvată. Puterea obisnuita a compresorului ar trebui sa fie de 20 - 30% din cea calculata, puteti folosi unitati standard din fabrica pentru frigidere sau aparate de aer conditionat scroll, care au o eficienta mai mare in comparatie cu dispozitivele cu piston.

Evaporator și condensator

Pentru a răci și a încălzi lichidele, acestea sunt de obicei trecute prin țevi de cupru plasate într-un recipient cu un schimbător de căldură. Pentru a crește zona de răcire, conducta de cupru este aranjată sub formă de spirală, lungimea necesară este calculată prin formula de calcul a ariei împărțite la secțiune. Volumul rezervorului de schimb de căldură este calculat pe baza implementării unui schimb de căldură eficient, valoarea medie obișnuită este de aproximativ 120 de litri. Pentru o pompă de căldură este rațional să se folosească țevi pentru aparatele de aer condiționat, care au inițial o formă de spirală și sunt vândute în serpentine.

Orez. H Teava de cupru si rezervorul schimbatorului de caldura

Mulți producători de pompe de căldură au înlocuit această metodă de proiectare a schimbătoarelor de căldură cu propriile mâini cu una mai compactă, folosind schimbul de căldură conform principiului „țeavă în conductă”. Diametrul standard al țevii de plastic pentru evaporator este de 32 mm, în ea este plasată o țeavă de cupru cu diametrul de 19 mm, evaporatorul este izolat termic, lungimea totală a schimbătorului de căldură este de aproximativ 10 - 12 m. 25 mm poate fi folosit pentru condensator. teava metal-plastic si 12,7 mm. cupru.

Pentru a crește suprafața și eficiența schimbătorului de căldură, unii meșteri răsucesc o împletitură din mai multe țevi de cupru de diametru mic, le mută cu sârmă subțire și așează structura în plastic. Acest lucru face posibilă obținerea unei zone de schimb de căldură de aproximativ 1 metru cub pe un segment de 10 metri.

valva de expansiune

Un dispozitiv selectat corespunzător reglează gradul de umplere a evaporatorului și este în mare măsură responsabil pentru performanța întregului sistem. De exemplu, dacă admisia de agent frigorific este prea mare, acesta nu va avea timp să se evapore complet, iar picăturile de lichid vor intra în compresor, ducând la întreruperea funcționării acestuia și la scăderea temperaturii gazului la ieșire. Prea puțin freon în evaporator după creșterea temperaturii în compresor nu va fi suficient pentru a încălzi volumul necesar de apă.

Senzori

Pentru ușurința în utilizare, monitorizarea funcționării, depanarea și configurarea sistemului, sunt necesari senzori de temperatură încorporați. Informațiile sunt importante în toate etapele funcționării sistemului, numai cu ajutorul acesteia, folosind formule, este posibil să se stabilească cel mai important parametru al echipamentului instalat pentru pompele de căldură cu apă - indicatorul de eficiență COP.

Echipament de pompare

În timpul funcționării pompelor de căldură, aportul și alimentarea cu apă dintr-un puț, puț sau rezervor deschis are loc cu ajutorul pompelor de apă. Se pot folosi tipuri de submersibile sau de suprafață, de obicei puterea lor este mică, 100 - 200 de wați este suficient pentru a furniza apă. Pentru controlul funcționării, protejarea pompelor și a sistemului, sunt montate suplimentar filtre, un manometru, apometre și automatizări simple.

Asamblarea de echipamente pentru pompe de căldură nu prezintă mari dificultăți cu capacitatea de a manipula un instrument special pentru sudarea și lipirea cuprului. Lucrările efectuate vor ajuta la economisirea de fonduri semnificative - costul componentelor va fi de aproximativ 600 USD. Adică, achiziționarea de echipamente industriale va costa de 10 ori mai mult (aproximativ 6000 USD). Un design do-it-yourself, cu calcul și reglare corespunzătoare, are o eficiență (COP) de aproximativ 4, ceea ce corespunde desenelor industriale.

După cum știți, pompele de căldură folosesc surse de energie regenerabile gratuite: căldură de calitate scăzută din aer, sol, subteran, apă deschisă fără îngheț, apă uzată și uzată și aer, precum și căldură reziduală de la întreprinderile tehnologice. Pentru a colecta acest lucru, electricitatea este cheltuită, dar raportul dintre cantitatea de energie termică primită și cantitatea de energie electrică consumată este de aproximativ 3-7 ori.

Dacă vorbim doar despre sursele de căldură cu potențial scăzut care ne înconjoară în scopuri de încălzire, aceasta; aer exterior cu o temperatură de la -3 la +15 °C, aer evacuat (15-25 °C), subsol (4-10 °C) și apă subterană (aproximativ 10 °C), apă de lac și râu (5-10 °C). °С), suprafața solului (sub punctul de îngheț) (3-9 ° С) și adâncimea solului (mai mult de 6 m - 8 ° С).

Extragerea căldurii din mediu (cartierul interior).

În evaporator, un agent frigorific lichid de lucru este pompat la presiune scăzută. Nivelul termic al temperaturilor din jurul evaporatorului este mai mare decât punctul de fierbere corespunzător al mediului de lucru (agentul frigorific este selectat astfel încât să poată fierbe chiar și la temperaturi sub zero). Datorită acestei diferențe de temperatură, căldura mediului este transferată mediului de lucru, care la aceste temperaturi fierbe și se evaporă (se transformă în abur). Căldura necesară pentru aceasta este preluată de la oricare dintre sursele de căldură de calitate scăzută enumerate mai sus.

Aflați mai multe despre sursele regenerabile de energie

Dacă aerul atmosferic sau de ventilație este selectat ca sursă de căldură, se folosesc pompe de căldură care funcționează conform schemei „aer-apă”. Pompa poate fi amplasată în interior sau în exterior, cu un condensator încorporat sau la distanță. Aerul este suflat prin schimbătorul de căldură (evaporator) cu ajutorul unui ventilator.

Ca sursă de energie termică cu potențial scăzut, pot fi folosite apele subterane cu o temperatură relativ scăzută sau solul straturilor de suprafață ale pământului. Conținutul de căldură al masei de sol este în general mai mare. Regimul termic al solului straturilor de suprafață ale pământului se formează sub influența a doi factori principali - radiația solară incidentă la suprafață și fluxul de căldură radiogenă din interiorul pământului. Modificările sezoniere și zilnice ale intensității radiației solare și ale temperaturii exterioare provoacă fluctuații ale temperaturii straturilor superioare ale solului. Adâncimea de pătrundere a fluctuațiilor zilnice ale temperaturii aerului exterior și intensitatea radiației solare incidente, în funcție de solul și condițiile climatice specifice, variază de la câteva zeci de centimetri până la un metru și jumătate. Adâncimea de pătrundere a fluctuațiilor sezoniere ale temperaturii aerului exterior și intensitatea radiației solare incidente nu depășește, de regulă, 15-20 m.

Tipuri de schimbătoare de căldură orizontale:

1. schimbător de căldură al conductelor conectate în serie;
2. schimbător de căldură din țevi paralele;
3. colector orizontal așezat într-un șanț;
4. schimbător de căldură sub formă de buclă;
5. un schimbător de căldură sub formă de spirală situat orizontal (așa-numitul colector „slinky”);
6. schimbător de căldură sub formă de spirală, situat vertical.

Puțul de apă acumulează căldură solară. Chiar și în perioada rece de iarnă, apele subterane au o temperatură constantă de +7 până la +12 ° C. Acesta este avantajul acestei surse de căldură. Datorită nivelului constant de temperatură, această sursă de căldură are o rată de conversie ridicată prin pompa de căldură pe tot parcursul anului. Din păcate, apele subterane nu sunt întotdeauna disponibile în cantități suficiente. Când apa subterană este folosită ca sursă, alimentarea se realizează dintr-un puț folosind o pompă submersibilă la intrarea în schimbătorul de căldură (evaporator) a unei pompe de căldură care funcționează conform schemei „apă-apă / sistem deschis”, apă din ieșirea schimbătorului de căldură este fie pompată într-un alt puț, fie aruncată în rezervor. Avantajul sistemelor deschise este posibilitatea de a obține o cantitate mare de energie termică la un cost relativ scăzut. Cu toate acestea, puțurile necesită întreținere. În plus, utilizarea unor astfel de sisteme nu este posibilă în toate domeniile. Principalele cerințe pentru sol și apele subterane sunt următoarele:
- permeabilitate suficientă la apă a solului, permițând completarea rezervelor de apă;
- chimie bună a apelor subterane (de exemplu, conținut scăzut de fier) ​​pentru a evita depunerile în țevi și problemele de coroziune.

Sistemele deschise sunt mai des folosite pentru încălzirea sau răcirea clădirilor mari. Cel mai mare sistem geotermal de transfer de căldură din lume utilizează apele subterane ca sursă de energie termică de calitate scăzută. Acest sistem este situat în SUA în Louisville, Kentucky. Sistemul este utilizat pentru alimentarea cu căldură și rece a complexului hotelier și de birouri; puterea sa este de aproximativ 10 MW.

Să luăm o altă sursă - un rezervor, bucle dintr-o țeavă de plastic pot fi așezate pe fundul acesteia, schema „apă-apă / sistem închis”. Prin conductă circulă o soluție de etilenglicol (antigel), care transferă căldură agentului frigorific prin schimbătorul de căldură (evaporatorul) al pompei de căldură.
Solul are capacitatea de a acumula energie solară pentru o perioadă lungă de timp, ceea ce asigură o temperatură relativ uniformă a sursei de căldură pe tot parcursul anului și, astfel, un factor de conversie ridicat al pompei de căldură. Temperatura din straturile superioare ale solului variază în funcție de sezon. Sub linia de îngheț, aceste fluctuații de temperatură sunt reduse semnificativ. Căldura stocată în sol este extrasă prin intermediul unor schimbătoare de căldură ermetice așezate orizontal, numite și colectoare de pământ, sau prin intermediul unor schimbătoare de căldură așezate vertical, așa-numitele sonde geotermale. Căldura ambientală este transferată printr-un amestec de apă și etilenglicol (saramură sau mediu), al cărui punct de îngheț trebuie să fie de aproximativ -13°C (respectați datele producătorului). Datorită acestui fapt, saramura nu îngheață în timpul funcționării.
Aceasta înseamnă că există două opțiuni pentru obținerea căldurii cu potențial scăzut din sol. Pozarea orizontală a țevilor din plastic în șanțuri cu adâncimea de 1,3-1,7 m, în funcție de condițiile climatice ale zonei, sau puțuri verticale cu adâncimea de 20-100 m. Pozarea țevilor în șanțuri se poate face și sub formă de spirale. , dar cu o adâncime de așezare de 2-4 m, aceasta va reduce semnificativ lungimea totală a șanțurilor. Transferul maxim de căldură al solului de suprafață este de la 7 la 25 W cu p.t., de la geotermal 20-50 W cu p.t. Potrivit companiilor producătoare, durata de viață a șanțurilor și puțurilor este de peste 100 de ani.

Mai multe despre schimbătoarele de căldură verticale la sol.

Din 1986 s-au efectuat cercetări în Elveția, lângă Zurich, pe un sistem cu schimbătoare de căldură la sol verticale. În masivul sol a fost amenajat un schimbător de căldură vertical de tip coaxial cu adâncimea de 105 m. Acest schimbător de căldură a fost folosit ca sursă de energie termică de calitate scăzută pentru un sistem de transfer termic instalat într-o clădire rezidențială cu un singur apartament. Schimbătorul de căldură la sol vertical a furnizat o putere de vârf de aproximativ 70 de wați pe metru lungime, ceea ce a creat o sarcină termică semnificativă asupra masei solului înconjurător. Producția anuală de energie termică este de aproximativ 13 MWh.
La o distanță de 0,5 și 1 m de puțul principal au fost forate două puțuri suplimentare, în care au fost instalați senzori de temperatură la adâncimea de 1, 2, 5, 10, 20, 35, 50, 65, 85 și 105 m, după care fântânile au fost umplute cu amestec de argilă-ciment. Temperatura a fost măsurată la fiecare treizeci de minute. Pe lângă temperatura solului, au mai fost înregistrați și alți parametri: viteza lichidului de răcire, consumul de energie al antrenării compresorului, temperatura aerului etc.

Prima perioadă de observare a durat din 1986 până în 1991. Măsurătorile au arătat că influența căldurii aerului exterior și a radiației solare se remarcă în stratul de suprafață al solului la o adâncime de până la 15 m. Sub acest nivel, regimul termic al solului se formează în principal datorită căldura din interiorul pământului. În primii 2-3 ani de funcționare, temperatura masei de sol din jurul schimbătorului de căldură vertical a scăzut brusc, dar în fiecare an temperatura a scăzut, iar după câțiva ani sistemul a ajuns la un regim aproape constant, când temperatura de masa solului din jurul schimbătorului de căldură a devenit mai mică decât cea inițială cu 1 -2°C.

În toamna anului 1996, la zece ani de la punerea în funcțiune a sistemului, au fost reluate măsurătorile. Aceste măsurători au arătat că temperatura solului nu s-a schimbat semnificativ. În anii următori, s-au înregistrat ușoare fluctuații ale temperaturii solului în limita a 0,5 °C, în funcție de sarcina anuală de încălzire. Astfel, sistemul a intrat într-un regim cvasi-staționar după primii câțiva ani de funcționare.

Pe baza datelor experimentale au fost construite modele matematice ale proceselor care au loc în masivul solului, care au făcut posibilă realizarea unei prognoze pe termen lung a schimbărilor de temperatură a masivului sol.

Modelarea matematică a arătat că scăderea anuală a temperaturii va scădea treptat, iar volumul masei solului din jurul schimbătorului de căldură, supus scăderii temperaturii, va crește în fiecare an. La sfârșitul perioadei de funcționare începe procesul de regenerare: temperatura solului începe să crească. Natura procesului de regenerare este similară cu natura procesului de „selectare” a căldurii: în primii ani de funcționare, are loc o creștere bruscă a temperaturii solului, iar în anii următori, rata de creștere a temperaturii scade. Durata perioadei de „regenerare” depinde de durata perioadei de funcționare. Aceste două perioade sunt aproximativ aceleași. În acest caz, perioada de funcționare a schimbătorului de căldură la sol a fost de treizeci de ani, iar perioada de „regenerare” este de asemenea estimată la treizeci de ani.

Astfel, sistemele de alimentare cu căldură și frig a clădirilor, folosind căldura de slabă calitate a pământului, sunt o sursă de încredere de energie care poate fi folosită peste tot. Această sursă poate fi folosită destul de mult timp și poate fi reînnoită la sfârșitul perioadei de funcționare.

Calculul colectorului orizontal al unei pompe de căldură

Eliminarea căldurii din fiecare metru de țeavă depinde de mulți parametri: adâncimea de așezare, disponibilitatea apei subterane, calitatea solului etc. Aproximativ, se poate considera că pentru colectoarele orizontale este de 20 W.m.p. Mai precis: nisip uscat - 10, argilă uscată - 20, argilă umedă - 25, argilă cu un conținut ridicat de apă - 35 W.m.p. Diferența de temperatură a lichidului de răcire în liniile înainte și inversă ale buclei în calcule este de obicei considerată ca fiind de 3 °C. Pe locul colectorului, clădirile nu trebuie ridicate astfel încât căldura pământului, de ex. sursa noastră de energie, alimentată cu energie datorită radiației solare.

Distanța minimă dintre țevile așezate trebuie să fie de cel puțin 0,7-0,8 m. Lungimea unui șanț poate varia de la 30 la 150 m. Este important ca lungimile circuitelor conectate să fie aproximativ aceleași. Ca lichid de răcire a circuitului primar, se recomandă utilizarea unei soluții de etilenglicol (mediu) cu un punct de îngheț de aproximativ -13 ° C. În calcule, trebuie luat în considerare faptul că capacitatea termică a soluției la o temperatură de 0 ° C este de 3,7 kJ / (kg K), iar densitatea este de 1,05 g / cm 3. Când se folosește un mediu, pierderea de presiune în conducte este de 1,5 ori mai mare decât la circulația apei. Pentru a calcula parametrii circuitului primar al unei instalații de pompă de căldură, va fi necesar să se determine debitul mediului:

Vs = Qo 3600 / (1,05 3,7 .t),
unde t este diferența de temperatură dintre liniile de alimentare și retur, care este adesea considerată 3 o K. Atunci Qo este puterea termică primită de la o sursă cu potențial scăzut (sol). Ultima valoare este calculată ca diferență între puterea totală a pompei de căldură Qwp și puterea electrică cheltuită pentru încălzirea agentului frigorific P:

Qo = Qwp - P, kW.

Lungimea totală a conductelor colectoare L și aria totală a zonei de sub ea A sunt calculate prin formulele:

Aici q - îndepărtarea căldurii specifice (de la 1 m țeavă); da - distanța dintre țevi (pas de pozare).

Exemplu de calcul. pompa de caldura.
Condiții inițiale: cererea de căldură a unei cabane cu o suprafață de 120-240 m2 (pe baza pierderilor de căldură, ținând cont de infiltrație) - 13 kW; se presupune că temperatura apei din sistemul de încălzire este de 35 °C (încălzire prin pardoseală); temperatura minimă a purtătorului de căldură la ieșirea în evaporator este de 0 °C. Pentru încălzirea clădirii, din gama tehnică existentă a fost selectată o pompă de căldură cu o capacitate de 14,5 kW, ținând cont de pierderile datorate vâscozității mediului, la selecția și transferul energiei termice din sol, este de 3,22. kW. Îndepărtarea căldurii de pe stratul de suprafață al solului (argilă uscată), q este egal cu 20 W/r.m. În conformitate cu formulele, calculăm:

1) puterea termică necesară a colectorului Qo = 14,5 - 3,22 = 11,28 kW;
2) lungimea totală a conductelor L = Qo/q = 11,28/0,020 = 564 r.m. Pentru organizarea unui astfel de colector sunt necesare 6 circuite de 100 m lungime;
3) cu o etapă de așezare de 0,75 m, aria necesară a șantierului A \u003d 600 x 0,75 \u003d 450 m2;
4) sarcina totală a soluției de etilenglicol Vs = 11,28 3600/ (1,05 3,7 3) = 3,51 m3, într-un circuit este egal cu 0,58 m3.

Pentru dispozitivul de colectare, selectăm o țeavă de plastic de dimensiunea 32x3. Pierderea de presiune în acesta va fi de 45 Pa/m.p.; rezistența unui circuit este de aproximativ 7 kPa; debitul lichidului de răcire - 0,3 m/s.

Calculul sondei

La utilizarea puțurilor verticale cu adâncimea de la 20 la 100 m, țevile din plastic în formă de U (cu diametre de la 32 mm) sunt scufundate în ele. De regulă, două bucle sunt introduse într-un singur godeu, umplut cu o soluție de suspensie. În medie, îndepărtarea căldurii specifice a unei astfel de sonde poate fi luată egală cu 50 W/m.p. De asemenea, vă puteți concentra pe următoarele date despre îndepărtarea căldurii:

• roci sedimentare uscate - 20 W/m;
• sol stâncos și roci sedimentare saturate cu apă - 50 W / m;
• roci cu conductivitate termică ridicată - 70 W/m;
• apă subterană - 80 W/m.

Temperatura solului la o adâncime mai mare de 15 m este constantă și este de aproximativ +9 °C. Distanța dintre puțuri trebuie să fie mai mare de 5 m. În prezența curenților subterani, puțurile trebuie amplasate pe o linie perpendiculară pe curgere.
Selectarea diametrelor conductei se face pe baza pierderilor de presiune pentru debitul necesar de lichid de răcire. Calculul debitului de lichid poate fi efectuat pentru t = 5 °С.

Exemplu de calcul.

Datele inițiale sunt aceleași ca în calculul de mai sus al colectorului orizontal. Cu o îndepărtare specifică de căldură a sondei de 50 W/m și o putere necesară de 11,28 kW, lungimea sondei L ar trebui să fie de 225 m.
Pentru a construi un colector, este necesar să forați trei puțuri cu o adâncime de 75 m. În fiecare dintre ele plasăm două bucle de conducte de dimensiunea 32x3; în total - 6 contururi a câte 150 m fiecare.

Debitul total al lichidului de răcire la t = 5 °С va fi de 2,1 m3/h; debit printr-un circuit - 0,35 m3 / h. Circuitele vor avea următoarele caracteristici hidraulice: pierdere de presiune în conductă - 96 Pa/m (vehicul de căldură - soluție de etilenglicol 25%); rezistența buclei - 14,4 kPa; viteza curgerii - 0,3 m/s.

Alegerea echipamentelor

Deoarece temperatura antigel poate varia (de la -5 la +20 °C), este necesar un vas de expansiune hidraulic în circuitul primar al instalației pompei de căldură.
De asemenea, se recomandă instalarea unui rezervor de acumulare pe linia de încălzire (condensare) a pompei de căldură: compresorul pompei de căldură funcționează în modul pornit-oprit. Pornirile prea frecvente pot duce la uzura accelerată a pieselor sale. Rezervorul este util și ca acumulator de energie - în cazul unei pene de curent. Volumul său minim este luat la o rată de 20-30 de litri la 1 kW de putere a pompei de căldură.

Când se utilizează o bivalență, o a doua sursă de energie (cazan electric, gaz, lichid sau combustibil solid), aceasta este conectată la circuit printr-un rezervor de acumulator, care este și hidrodistribuitor termic, cazanul este pornit de o pompă de căldură sau un sistem de automatizare de nivel superior.
În cazul unor posibile întreruperi de curent, este posibilă creșterea puterii pompei de căldură instalată cu un factor calculat prin formula: f = 24/(24 - t off), unde t off este durata întreruperii de curent.

În cazul unei posibile întreruperi de curent timp de 4 ore, acest coeficient va fi egal cu 1,2.
Puterea pompei de căldură poate fi selectată în funcție de modul de funcționare monovalent sau bivalent. În primul caz, se presupune că pompa de căldură este folosită ca singur generator de energie termică.

Trebuie luat în considerare: chiar și la noi, durata perioadelor cu temperatură scăzută a aerului este o mică parte a sezonului de încălzire. De exemplu, pentru regiunea centrală a Rusiei, timpul în care temperatura scade sub -10 °C este de numai 900 de ore (38 de zile), în timp ce durata sezonului în sine este de 5112 ore, iar temperatura medie din ianuarie este de aproximativ -10. °C. Prin urmare, cea mai potrivită este funcționarea pompei de căldură într-un mod bivalent, care prevede includerea unei surse suplimentare în perioadele în care temperatura aerului scade sub o anumită: -5 ° С - în regiunile de sud ale Rusiei, -10 ° С - în cele centrale. Acest lucru face posibilă reducerea costului pompei de căldură și, mai ales, a instalării circuitului primar (pozare de șanțuri, forare puțuri etc.), care crește foarte mult odată cu creșterea capacității instalației.

În condițiile regiunii Centrale a Rusiei, pentru o estimare aproximativă, atunci când selectați o pompă de căldură care funcționează în mod bivalent, vă puteți concentra pe raportul de 70/30: 70% din necesarul de căldură este acoperit de pompa de căldură, iar restul de 30% din energie electrică sau altă sursă de căldură. În regiunile sudice, vă puteți ghida după raportul dintre puterea pompei de căldură și sursa suplimentară de căldură, adesea folosită în Europa de Vest: 50 la 50.

Pentru o cabană cu o suprafață de 200 m2 pentru 4 persoane cu o pierdere de căldură de 70 W/m2 (calculată la -28 ° C temperatura aerului exterior), necesarul de căldură va fi de 14 kW. Adăugați 700 W pentru apă caldă menajeră la această valoare. Ca urmare, puterea necesară a pompei de căldură va fi de 14,7 kW.

Dacă există posibilitatea unei întreruperi temporare de curent, trebuie să măriți acest număr cu factorul corespunzător. Să presupunem că timpul zilnic de oprire este de 4 ore, apoi puterea pompei de căldură ar trebui să fie de 17,6 kW (factor multiplicator - 1,2). În cazul modului monovalent, poate fi selectată o pompă de căldură sol-apă de 17,1 kW, consumând 6,0 ​​kW de energie electrică.

Pentru un sistem bivalent cu un încălzitor electric suplimentar și o temperatură de alimentare cu apă rece de 10 °C pentru necesarul de apă caldă și un factor de siguranță, puterea pompei de căldură ar trebui să fie de 11,4 W și boilerul electric de 6,2 kW (17,6 în total). ). Puterea electrică de vârf consumată de sistem va fi de 9,7 kW.

Costul aproximativ al energiei electrice consumate pe sezon, când pompa de căldură funcționează în modul monovalent, va fi de 500 de ruble, iar în modul bivalent la temperaturi sub (-10 C) - 12 500. Costul unui purtător de energie atunci când se utilizează numai cazanul corespunzător vor fi: electricitate - 42.000, motorină - 25.000 și gaz - aproximativ 8.000 de ruble. (dacă există o conductă și prețuri mici la gaze existente în Rusia). În prezent, în condițiile noastre, din punct de vedere al eficienței de funcționare, o pompă de căldură nu poate fi comparată decât cu un cazan pe gaz de serie nouă, iar din punct de vedere al costurilor de funcționare, durabilitate, siguranță (nu este necesară camera de cazane) și ecologic, este depășește toate celelalte tipuri de producție de căldură.

Trebuie remarcat faptul că la instalarea pompelor de căldură, în primul rând, trebuie avută grijă să izolați clădirea și să instalați geamuri termopan cu conductivitate termică scăzută, ceea ce va reduce pierderea de căldură a clădirii și, prin urmare, costul lucrării și echipamente.

Ținând cont de faptul că o pompă de căldură este un echipament care necesită costuri destul de serioase de achiziție și instalare, problema alegerii acesteia trebuie tratată cu o grijă deosebită. Primul lucru pe care trebuie să-l facă un potențial cumpărător este să facă cel puțin un calcul aproximativ al puterii echipamentului care este potrivit pentru o funcționare eficientă în condiții specifice. Desigur, puteți apela la specialiști pentru a întocmi un proiect de pompă de căldură, dar pentru a estima costuri aproximative, puteți face singuri câteva calcule inițiale.

O pompă de căldură, al cărei design este o întreprindere destul de complicată, este aleasă în funcție de suprafața casei, de gradul de izolare a acesteia și de valorile medii ale temperaturii în sezonul rece. Pe lângă calculul capacității necesare, un proiect complet presupune determinarea parametrilor unui colector de pământ pentru o pompă geotermală, calcularea numărului și diametrului conductelor pentru un puț în cazul unui sistem apă-apă. Calculul corect al unei pompe de căldură presupune luarea în considerare a mulți factori: de la caracteristicile solului de pe șantier până la materialul din care este construită casa.

Dezvoltarea unui sistem de încălzire bazat pe o pompă de căldură

Dacă sunteți serios interesat de un mod atât de progresiv de încălzire a unei case precum pompele de căldură, atunci cel mai bine este să preferați serviciile specialiștilor cu studii de specialitate și experiență vastă cu astfel de echipamente. Acest lucru se datorează faptului că proiectarea corectă a pompei de căldură și a întregului sistem de încălzire pentru locuință vă va permite să uitați de problemele de căldură pentru mulți ani, bucurându-vă de funcționarea stabilă și eficientă a echipamentului.

În primul rând, merită să vă decideți asupra sursei de căldură, care va fi convertită în energie pentru lichidul de răcire din sistemul de încălzire. Dacă va fi sol, apă sau aer, depinde atât de producția de pompe de căldură (sau mai degrabă, de tehnologia de fabricație), cât și de productivitate, precum și de prețul echipamentului în sine și al lucrărilor de instalare. Unul dintre cele mai eficiente sisteme este apă-apă, dar necesită un rezervor lângă casă sau o cantitate suficientă de apă subterană pe amplasament.

Trebuie avut în vedere că pompa de căldură este mai folosită pentru sursele de căldură cu temperatură scăzută, combinația cu sistemul „pardoseală caldă” este ideală, dar este posibil să o combinați și cu generatoarele tradiționale. Atunci când alegeți pompele de căldură, calculul termic al acestora se realizează astfel încât să se ia în considerare dacă poate încălzi independent camera chiar și pe vremea cea mai rece sau dacă este necesar să se asigure o sursă suplimentară de căldură în sistem, de exemplu, un cazan electric. Calculul termodinamic ține cont de temperaturile minime care pot fi atinse iarna.

De asemenea, este necesar să se țină seama de nevoia de alimentare cu apă caldă la domiciliu, dacă este necesară o astfel de funcționalitate, atunci o cantitate suplimentară de 20% este inclusă în puterea necesară.

Exemplu de calcul al pompei de căldură

Deci, avem o clădire cu două etaje cu o suprafață de 250 mp. cu o înălțime a tavanului de 2,7 m. Să presupunem că temperatura în cameră este de + 20 ° C, iar pe stradă -26 ° C. În continuare, calculăm puterea unei pompe de căldură pentru încălzirea unei case:

0,434*250*2,7*(20-(-26)) = 13475,7 kW - puterea maximă necesară pentru încălzire în conformitate cu SP 50.13330-2012

Un astfel de calcul nu presupune pierderi mari. Pierderile în acest caz pot fi chiar mai mici de 13475,7 kW.

Un calcul termic mai precis se poate face individual. Se va ține cont de toate materialele pereților, ferestrelor, tavanelor etc.

Calculul circuitului pompei de căldură, care va merge pentru încălzirea și răcirea încăperii, este mai complex și este realizat de specialiști.