Hľadanie alternatívnych zdrojov, ktoré poskytujú energiu pre mnohé oblasti ľudskej činnosti, sa v poslednom čase stalo naliehavou úlohou. Ľudia majú tendenciu aktívnejšie využívať energiu slnka, vetra a vodných zdrojov, aby znížili náklady na riešenie problémov spojených so zásobovaním budov teplom. Otázka ekológie je zároveň nezanedbateľná, pretože znižovanie škodlivých emisií, ktoré znečisťujú ovzdušie, je dôležitejšie ako kedykoľvek predtým.

V posledných rokoch sa na vytvorenie priaznivých a pohodlných životných podmienok v rezidenčnom sektore používajú veterné turbíny, slnečné kolektory, ekonomické generátory tepla súčasne s realizáciou opatrení, ktoré pomáhajú zvýšiť tepelnú izoláciu zariadenia na zásobovanie teplom.

Podľa odborníkov pôsobiacich v tejto oblasti je využívanie geotermálnych zdrojov tepelnej energie – špeciálnych čerpadiel – považované za efektívne a ekonomické opatrenie. Ich základné zariadenie umožňuje odoberať teplo z okolia, transformovať ho a presúvať na miesto aplikácie (podrobnejšie: "").

Zdrojmi energie pre tepelné čerpadlá sú voda, vzduch, pôda a k procesu výroby tepla dochádza vďaka využitiu fyzikálnych vlastností určitých látok nazývaných chladivá. Sú schopné varu aj pri nízkych teplotách.

Postup výpočtu pre tepelné čerpadlá

Výsledok výpočtu závisí hlavne od individuálnych charakteristík vykurovanej budovy a pozostáva z niekoľkých etáp:

1. V prvom rade určujú tepelné straty, ku ktorým dochádza cez plášť budovy (sem patria okná, dvere, steny, stropy). Ak to chcete urobiť, použite nasledujúci vzorec:
   
   Qoc \u003d Sx (tin - tout) x (1 + Σ β) x n / Rt (W), kdeS - súčet plôch všetkých obvodových konštrukcií (m²);
   tvn - teplota vzduchu vo vnútri budovy (°С);
   tout - teplota vonkajšieho vzduchu (°C);
   
   n je koeficient odrážajúci vplyv okolitého priestoru na vlastnosti konštrukcie. Ak je miestnosť v priamom kontakte s vonkajším prostredím cez podlahu, potom je tento indikátor 1. Keď má objekt podkrovné podlahy, n je 0,9. Ak sa objekt nachádza nad suterénom, koeficient je 0,75 (bližšie: "").
   β je súčiniteľ dodatočných tepelných strát v závislosti od typu budovy a jej geografickej polohy. Tento ukazovateľ pri výpočte tepelného čerpadla je v rozsahu od 0,05 do 0,27;Rt je ukazovateľ tepelného odporu, ktorý je určený nasledujúcim vzorcom:Rt \u003d 1 / α vnútri + Σ (δі / λі) + 1 / α vonku (m² x ° С / W), kde:α int - koeficient charakterizujúci tepelnú absorpciu vnútorných povrchov plotových konštrukcií (W / m² x ° С);
   δі / λі - je vypočítaný ukazovateľ tepelnej vodivosti materiálov používaných v stavebníctve;
   α nar - hodnota tepelného rozptylu vonkajších povrchov plotových konštrukcií (W / m² x ° С);
2. Ďalej na výpočet tepelných čerpadiel použite vzorec na určeniecelková tepelná strata budovy:
   
   Qt.pot \u003d Qok + Qi - Qbp, kde:
   
   Qi - náklady na ohrev vzduchu, ktorý vstupuje cez prirodzené voľné miesta;
   Qbp ​​​​je uvoľňovanie tepla v dôsledku prevádzky domácich spotrebičov a ľudskej činnosti.
3. V tejto fáze sa vypočíta spotrebovaná tepelná energia pre každý z objektov počas roka:Qrok = 24x0,63xQt. pot.х((dх (tin - tout)/ (tin - tout)) kWh), kde:
   tout.avg - aritmetický priemer teplôt zaznamenaných na vonkajšom vzduchu počas celého vykurovacieho obdobia;
   d je počet dní vo vykurovacej sezóne.
4. Potom musíte určiť tepelný výkon potrebný na ohrev vody počas roka, pre ktorý sa používa výraz:
   
   Qhv \u003d V x17 (kW / hodina za kalendárny rok), kde
   V x17 - denný objem ohrevu vody do 50 ° С.
5. Celková spotreba tepelnej energie je určená vzorcom:
   
   Q \u003d Qgw + Qyear (kW/h na jeden rok)

1.1 je korekčný faktor, pretože pri výskyte kritických teplôt sa môže zvýšiť zaťaženie tepelného čerpadla.

Po vykonaní potrebných výpočtov je jednoduché vybrať tepelné čerpadlo vhodné do danej miestnosti, ktoré v nej zabezpečí príjemnú mikroklímu pre ľudí v miestnosti.

Ako vypočítať náklady na vykurovanie vidieckeho domu?

Výpočty sa robia na základe nasledujúcich parametrov:

Prvým parametrom sú prevádzkové náklady. Na určenie týchto nákladov je potrebné zvážiť náklady na palivo, ktoré sa použije na výrobu tepla. Táto položka zahŕňa aj náklady na údržbu. Najvýnosnejšie v tomto parametri bude vykurovanie, ktorého nosičom energie bude dodávaný hlavný plyn. Ďalším najúčinnejším je TEPELNÉ ČERPADLO.

Druhým parametrom sú náklady na nákup zariadenia a jeho inštaláciu. Najziskovejším a najhospodárnejším v štádiu nákupu a inštalácie bude nákup elektrického kotla. Maximálne náklady sa očakávajú, ak sa rozhodnete pre kúpu kotlov, kde nosičom energie je skvapalnený plyn v plynových nádržiach alebo motorová nafta. Aj tu je TEPELNÉ ČERPADLO optimálne.

Tretí parameter by sa mal považovať za pohodlie pri používaní vykurovacieho zariadenia. Kotly na tuhé palivá v tomto prípade možno označiť za najnáročnejšie. Vyžadujú vašu prítomnosť a doplnenie paliva, zatiaľ čo elektrické a plynové pohony fungujú nezávisle. Preto sú plynové a elektrické kotly najpohodlnejšie na použitie pri vykurovaní vidieckych domov. A tu má TEPELNÉ ČERPADLO výhodu. Klimatizácia je najpohodlnejšou vlastnosťou tepelných čerpadiel.

K dnešnému dňu je cenová situácia v Moskovskom regióne nasledovná... Pripojenie plynu k súkromným domom stojí asi 600 000 rubľov. Vyžaduje si to aj projekčné práce a príslušné schválenia, ktoré sa niekedy naťahujú roky a stoja aj peniaze. Pripočítajte sem náklady na zariadenie a relatívne krátku dobu opotrebenia (preto plynári ponúkajú výkonnejšie plynové kotly, aby opotrebenie a vyhorenie kotla trvalo dlhšie). Vykurovanie na tepelných čerpadlách je už porovnateľné s uvedenou cenou, ale nevyžaduje žiadne schválenia. Tepelné čerpadlo je bežný elektrospotrebič pre domácnosť, ktorý spotrebuje 4-krát menej elektriny ako bežný elektrokotol a je zároveň aj klimatizačným zariadením, teda klimatizáciou. Motorový zdroj moderných tepelných čerpadiel a ešte kvalitnejších (prémiová trieda) im umožňuje pracovať viac ako 20 rokov.

Uvádzame príklady výpočtov tepelných čerpadiel pre rôzne typy a veľkosti domov.

Najprv musíte určiť tepelné straty vašej budovy v závislosti od oblasti umiestnenia. Prečítajte si viac v "Úplné správy"

V prvom rade je potrebné určiť výkon tepelného čerpadla alebo kotla, keďže ide o jednu z rozhodujúcich technických charakteristík. Vyberá sa na základe veľkosti tepelných strát budovy. Výpočet tepelnej bilancie domu, berúc do úvahy vlastnosti jeho konštrukcie, by mal vykonať odborník, avšak na približné posúdenie tohto parametra, ak je budova domu navrhnutá s ohľadom na stavebné predpisy, musíte môže použiť nasledujúci vzorec:
Q = k V ∆T
1 kWh = 860 kcal/h
Kde
Q - tepelné straty, (kcal/h)
V je objem miestnosti (dĺžka × šírka × výška), m3;
ΔT - maximálny rozdiel medzi teplotou vzduchu zvonku a vnútri miestnosti v zime, °С;
k je zovšeobecnený súčiniteľ prestupu tepla budovy;
k \u003d 3 ... 4 - budova z dosiek;
k \u003d 2 ... 3 - tehlové steny v jednej vrstve;
k min-max \u003d 1 ... 2 - štandardné murivo (tehla v dvoch vrstvách);

k \u003d 0,6 ... 1 - dobre izolovaná budova;

Príklad výpočtu výkonu plynového kotla pre váš dom:

Pre budovu s objemom V = 10 m × 10 m × 3 m = 300 m3;

Tepelné straty tehlovej budovy (k max \u003d 2) budú:
Q \u003d 2 × 300 × 50 \u003d 30 000 kcal / h \u003d 30 000 / 860 \u003d 35 kW
Toto bude požadovaný minimálny výkon kotla vypočítaný na maximum ...

Väčšinou sa volí 1,5-násobná rezerva chodu, treba však brať do úvahy faktory ako neustále fungujúce vetranie miestnosti, otvorené okná a dvere, veľká plocha zasklenia a pod. Ak sa plánuje použitie dvojokruhového kotla (vykurovanie miestností a zásobovanie teplou vodou), jeho kapacita by sa mala ďalej zvýšiť o 10 - 40%. Prísada závisí od množstva spotreby teplej vody.

Príklad výpočtu výkonu tepelného čerpadla pre váš dom:

Pri AT = (Tvn - Tnar) = 20 - (-30) = 50 °C;
Tepelné straty tehlovej budovy (k min \u003d 1) budú:
Q \u003d 1 × 300 × 50 \u003d 15 000 kcal / h \u003d 30 000 / 860 \u003d 17 kW
Toto bude požadovaný minimálny výkon kotla, vypočítaný na minimum, pretože nedochádza k vyhoreniu tepelného čerpadla a zdroj závisí od jeho motorického zdroja a cyklovania počas dňa ... Zníženie počtu cyklov zapnutia / vypnutia tepelného čerpadla sa používajú zásobníky tepla.

Takže: Tepelné čerpadlo musí cyklovať 3-5 krát za hodinu.
tie. 17 kW/s hod -3 cykly

Budete potrebovať vyrovnávaciu nádrž - 3 cykly - 30 l / kW; 5 cyklov - 20 l/kW.

17 kW*30l=500l skladovacia kapacita!!! Výpočty sú približné, tu je dobrá veľká batéria, ale v praxi uvádzajú 200 litrov.

Teraz poďme vypočítať náklady na tepelné čerpadlo a jeho inštaláciu pre váš dom:

Objem budovy je rovnaký V = 10m × 10m × 3m = 300 m3;
Približný výkon sme vypočítali -17kW. Rôzni výrobcovia majú rôzny rozsah výkonov, preto si tepelné čerpadlo vyberajte podľa kvality a ceny spolu s našimi poradcami. Napríklad Waterkotte má 18kW tepelné čerpadlo, ale môžete dodať aj 15kW, keďže v prípade nedostatočného výkonu je v každom tepelnom čerpadle bližšie 6kW špička. Špičkový dohrev trvá relatívne krátko, a preto nie je potrebné preplácať tepelné čerpadlo. Preto si môžete vybrať aj 15 kW, pretože krátkodobo je 15+6=21kW vyššie ako vaše potreby tepla.

Zastavme sa pri 18kW. Cenu tepelného čerpadla špecifikujte s poradcami, keďže dnes sú dodacie podmienky „mierne povedané“ nepredvídateľné. Preto stránka prezentuje továreň.

Ak sa nachádzate v južných oblastiach, tepelné straty vášho domu na základe vyššie uvedených výpočtov budú menšie, pretože ΔT \u003d (Tvn - Tnar) \u003d 20 - (-10) \u003d 30 ° С. a potom ΔT \u003d (Tvn - Tnar) \u003d 20 - (-0) \u003d 20 ° С. Môžete si vybrať tepelné čerpadlo s menším výkonom a navyše podľa princípu fungovania „vzduch-voda“. Naše vzduchové tepelné čerpadlá fungujú efektívne až do -25 stupňov, a preto nie je potrebné vŕtať.

V strednom Rusku a na Sibíri sú geotermálne tepelné čerpadlá fungujúce na princípe „voda-voda“ oveľa efektívnejšie.

Vŕtanie geotermálneho poľa bude stáť rôzne v závislosti od regiónu. V moskovskom regióne je výpočet nákladov nasledovný:

Odoberáme výkon nášho tepelného čerpadla -18kW. Elektrická spotreba takéhoto zemného tepelného čerpadla je približne 18/4=4,5 kWh zo zásuvky. Waterkotte má ešte menej (táto charakteristika sa nazýva COP. Tepelné čerpadlá Waterkotte majú COP 5 a viac). Podľa zákona zachovania výkonu sa elektrická energia prenáša do systému a mení sa na tepelnú energiu, ktorú získavame z geotermálneho zdroja, teda zo sond, ktoré je potrebné navŕtať. 18-4,5 = 13,5 kW napríklad zo Zeme (keďže zdrojom v tomto prípade môže byť horizontálny kolektor, jazierko a pod.).

Prenos tepla pôd na rôznych miestach, dokonca aj v moskovskom regióne, je odlišný. V priemere od 30 do 60W na 1 ot./min., v závislosti od vlhkosti pôdy.

13,5 kW alebo 13500 W delené prestupom tepla. v priemere je to 50W takže 13500/50=270 metrov. Vŕtacie práce stoja v priemere 1200 rubľov / m.p. Získame 270 * 1200 \u003d 324 000 rubľov. na kľúč so vstupom do vykurovacieho bodu.

Náklady na tepelné čerpadlo ekonomickej triedy = 6-7 tisíc dolárov. tie. 180-200 tisíc rubľov

Náklady CELKOM 324 tisíc + 180 tisíc = 504 tisíc rubľov

Pridajte náklady na inštaláciu a náklady na tepelný akumulátor a dostanete o niečo viac ako 600 tisíc rubľov, čo je porovnateľné s nákladmi na dodávku hlavného plynu. Q.E.D.

Využitie nízkopotenciálneho okolitého tepla na ohrev vody a vykurovanie sa stáva ekonomicky výhodným pri dlhodobom používaní systému. Prekážkou širokej distribúcie takýchto zariadení sú vysoké počiatočné náklady na zariadenie a jeho inštaláciu. Preto je vždy dôležitá úplná alebo čiastočná inštalácia tepelného čerpadla vlastnými rukami, čo vám umožňuje ušetriť značné finančné prostriedky.

Ryža. 1 Tepelné čerpadlo voda-voda v dome

Pri vytváraní tepelných čerpadiel na vykurovanie sa využíva prirodzené nízkokvalitné teplo vzdušných hmôt, pôdy a vody. Vodné druhy absorbujú tepelnú energiu zo studní, studní, rybníkov a iných otvorených vodných plôch. Tepelné čerpadlo funguje ako chladnička, odoberá teplo z chladiaceho priestoru a vypúšťa ho von cez externý radiátor.

Pri inštalácii je primárny výmenník tepla s cirkulujúcim chladivom umiestnený v nádobe s vodou, z ktorej sa odoberá teplo. Voda je nasávaná vodným čerpadlom, prechádza cez potrubný systém a potom vstupuje do výparníka - v zariadení sa pri zahrievaní kvapaliny odparí. Vo výparníku chladivo odovzdáva teplo freónu, pre ktorý je malá kladná teplota 6 - 8 C bod varu a plynné chladivo vstupuje do kompresora.

Tam sa stlačí, čo vedie k zvýšeniu teploty plynu, a ďalej sa privádza do kondenzátora. V kondenzátore sa tepelná energia z plynu s teplotou 40 - 70 C odovzdáva vode vo vykurovacom systéme, ochladený plyn kondenzuje a vstupuje do redukčného ventilu (škrtiacej klapky). Jeho tlak klesá - to vedie k väčšiemu ochladzovaniu plynu do kvapalného stavu, v ktorom sa opäť privádza do výparníka. Systém pracuje v kruhovom uzavretom cyklickom režime.

Výpočet tepelného čerpadla

Pre návrh systému pre domácich majstrov je v prvom rade potrebné vykonať výpočet s prihliadnutím na potreby tepelnej energie (čerpadlá je možné dodatočne použiť na prípravu teplej vody v domácnosti) a možné straty. Algoritmus výpočtu pozostáva z nasledujúcich operácií.

1. Vypočíta sa plocha vykurovanej miestnosti.
2. Na základe získaných hodnôt sa určí celkové množstvo energie potrebnej na vykurovanie na základe výpočtu 70 - 100 wattov na meter štvorcový. Parameter závisí od výšky stropov, materiálu výroby a stupňa tepelnej vodivosti domu.
3. Pri poskytovaní teplej vody sa získaná hodnota zvýši o 15 - 20%.
4. Na základe prijatého výkonu sa vyberie kompresor, vypočítajú sa a navrhnú hlavné komponenty systému: potrubie, výparník, kondenzátor, elektrické čerpadlo a ďalšie komponenty.

Príslušenstvo pre vykurovací systém s tepelným čerpadlom pre vlastnú výrobu

Pre bežného majiteľa domu je pomerne ťažké konkurovať domácim a zahraničným priemyselným tepelným čerpadlám, jeho montáž a výroba jednotlivých komponentov však nie sú nemožné práce. Hlavnou úlohou pri konštrukcii tepelného čerpadla zostáva správnosť výpočtov, pretože v prípade chyby môže mať systém nízku účinnosť a stať sa neefektívnym.

Kompresor

Na inštaláciu budete potrebovať nový alebo použitý. kompresor je v prevádzkovom stave s nevyužitým zdrojom vhodného výkonu. Zvyčajný výkon kompresora by mal byť 20 - 30 % vypočítaného, ​​môžete použiť štandardné továrenské jednotky na chladničky alebo špirálové klimatizácie, ktoré majú oproti piestovým zariadeniam vyššiu účinnosť.

Výparník a kondenzátor

Na chladenie a ohrev kvapalín sa zvyčajne vedú cez medené rúrky umiestnené v nádobe s výmenníkom tepla. Na zväčšenie chladiacej plochy je medené potrubie usporiadané vo forme špirály, požadovaná dĺžka sa vypočíta podľa vzorca na výpočet plochy delenej úsekom. Objem teplovýmennej nádrže je vypočítaný na základe realizácie efektívnej výmeny tepla, obvyklá priemerná hodnota je cca 120 litrov. Pre tepelné čerpadlo je racionálne použiť potrubia pre klimatizácie, ktoré majú spočiatku špirálový tvar a predávajú sa vo zvitkoch.

Ryža. H Medené potrubie a nádrž výmenníka tepla

Mnohí výrobcovia tepelných čerpadiel nahradili tento spôsob navrhovania výmenníkov tepla vlastnými rukami za kompaktnejší, využívajúci výmenu tepla podľa princípu „potrubia v potrubí“. Štandardný priemer plastovej rúrky pre výparník je 32 mm, je v nej umiestnená medená rúrka s priemerom 19 mm, výparník je tepelne izolovaný, celková dĺžka výmenníka je cca 10 - 12 m. 25 mm možno použiť pre kondenzátor. kovovo-plastové potrubie a 12,7 mm. meď.

Na zvýšenie plochy a účinnosti výmenníka tepla niektorí remeselníci skrútia opletenie niekoľkých medených rúrok malého priemeru, posunú ich tenkým drôtom a umiestnia konštrukciu do plastu. To umožňuje získať teplovýmennú plochu asi 1 meter kubický na 10 metrovom segmente.

expanzný ventil

Správne zvolené zariadenie reguluje stupeň naplnenia výparníka a je vo veľkej miere zodpovedné za výkon celého systému. Napríklad, ak je prívod chladiva príliš vysoký, nestihne sa úplne odpariť a kvapôčky kvapaliny vstúpia do kompresora, čo povedie k narušeniu jeho prevádzky a zníženiu teploty plynu na výstupe. Príliš málo freónu vo výparníku po zvýšení teploty v kompresore nebude stačiť na zohriatie potrebného objemu vody.

Senzory

Pre jednoduché používanie, monitorovanie prevádzky, riešenie problémov a konfiguráciu systému sú potrebné vstavané snímače teploty. Informácie sú dôležité vo všetkých fázach prevádzky systému, len pomocou nich je možné pomocou vzorcov stanoviť najdôležitejší parameter inštalovaného zariadenia pre vodné tepelné čerpadlá - ukazovateľ účinnosti COP.

Vybavenie čerpadiel

Pri prevádzke tepelných čerpadiel dochádza k odberu a dodávke vody zo studne, studne alebo otvoreného zásobníka pomocou vodných čerpadiel. Môžu sa použiť ponorné alebo povrchové typy, zvyčajne je ich výkon nízky, na dodávku vody stačí 100 - 200 wattov. Na riadenie prevádzky, ochranu čerpadiel a systému sú dodatočne namontované filtre, manometer, vodomery a jednoduchá automatika.

Montáž zariadení tepelného čerpadla vlastnými rukami nepredstavuje veľké ťažkosti so schopnosťou manipulovať so špeciálnym nástrojom na zváranie a spájkovanie medi. Vykonaná práca pomôže ušetriť značné finančné prostriedky - náklady na komponenty budú asi 600 USD. To znamená, že nákup priemyselného vybavenia bude stáť 10-krát viac (asi 6 000 USD). Urob si svoj dizajn so správnym výpočtom a vyladením má účinnosť (COP) asi 4, čo zodpovedá priemyselným vzorom.

Ako viete, tepelné čerpadlá využívajú bezplatné obnoviteľné zdroje energie: nekvalitné teplo zo vzduchu, pôdy, podzemia, otvorenú nemrznúcu vodu, odpadovú a odpadovú vodu a vzduch, ako aj odpadové teplo z technologických podnikov. Aby sa to zhromaždilo, spotrebuje sa elektrina, ale pomer množstva prijatej tepelnej energie k množstvu spotrebovanej elektrickej energie je asi 3-7 krát.

Ak hovoríme len o zdrojoch nízkopotenciálneho tepla, ktoré nás obklopujú na účely vykurovania, toto; vonkajší vzduch s teplotou -3 až +15 °C, odpadový vzduch (15-25 °C), podzemná (4-10 °C) a podzemná (asi 10 °C) voda, jazerná a riečna voda (5-10 °С), povrch zeme (pod bodom mrazu) (3-9 °С) a hĺbka zeme (viac ako 6 m - 8 ° С).

Odber tepla z prostredia (vnútorný obvod).

Vo výparníku sa pri nízkom tlaku čerpá kvapalné pracovné médium-chladivo. Tepelná úroveň teplôt obklopujúcich výparník je vyššia ako zodpovedajúci bod varu pracovného média (chladivo je zvolené tak, aby mohlo vrieť aj pri mínusových teplotách). Vplyvom tohto rozdielu teplôt sa teplo prostredia odovzdáva pracovnému médiu, ktoré pri týchto teplotách vrie a vyparuje sa (mení sa na paru). Teplo potrebné na to sa odoberá z ktoréhokoľvek z vyššie uvedených nízkokvalitných zdrojov tepla.

Zistite viac o obnoviteľných zdrojoch energie

Ak je ako zdroj tepla zvolený atmosférický alebo vetrací vzduch, využívajú sa tepelné čerpadlá pracujúce podľa schémy „vzduch-voda“. Čerpadlo môže byť umiestnené vo vnútri alebo vonku, so zabudovaným alebo vzdialeným kondenzátorom. Vzduch je vháňaný cez výmenník tepla (výparník) pomocou ventilátora.

Ako zdroj nízkopotenciálnej tepelnej energie možno využiť podzemnú vodu s relatívne nízkou teplotou alebo pôdu povrchových vrstiev zeme. Tepelný obsah pôdnej hmoty je vo všeobecnosti vyšší. Tepelný režim pôdy povrchových vrstiev zeme sa vytvára pod vplyvom dvoch hlavných faktorov - slnečného žiarenia dopadajúceho na povrch a toku rádiogénneho tepla z vnútra zeme. Sezónne a denné zmeny intenzity slnečného žiarenia a vonkajšej teploty spôsobujú kolísanie teploty vrchných vrstiev pôdy. Hĺbka prieniku denných výkyvov teploty vonkajšieho vzduchu a intenzity dopadajúceho slnečného žiarenia sa v závislosti od konkrétnych pôdnych a klimatických podmienok pohybuje od niekoľkých desiatok centimetrov až po jeden a pol metra. Hĺbka prieniku sezónnych výkyvov teploty vonkajšieho vzduchu a intenzity dopadajúceho slnečného žiarenia nepresahuje spravidla 15–20 m.

Typy horizontálnych výmenníkov tepla:

1. výmenník tepla sériovo zapojených potrubí;
2. výmenník tepla paralelných potrubí;
3. horizontálny kolektor položený vo výkope;
4. výmenník tepla vo forme slučky;
5. výmenník tepla vo forme špirály umiestnenej horizontálne (takzvaný kolektor "slinky");
6. výmenník tepla vo forme špirály, umiestnený vertikálne.

Vodná studňa akumuluje slnečné teplo. Aj v chladnom zimnom období má podzemná voda stálu teplotu +7 až +12°C. To je výhoda tohto zdroja tepla. Vďaka konštantnej teplotnej hladine má tento zdroj tepla vysokú mieru konverzie cez tepelné čerpadlo počas celého roka. Žiaľ, podzemná voda nie je vždy dostupná v dostatočnom množstve. Keď sa ako zdroj používa podzemná voda, dodávka sa vykonáva zo studne pomocou ponorného čerpadla na vstup do výmenníka tepla (výparníka) tepelného čerpadla pracujúceho podľa schémy „voda-voda / otvorený systém“, voda z výstup výmenníka tepla sa buď prečerpá do inej studne, alebo sa vysype do zásobníka. Výhodou otvorených systémov je možnosť získania veľkého množstva tepelnej energie pri relatívne nízkych nákladoch. Studne si však vyžadujú údržbu. Navyše použitie takýchto systémov nie je možné vo všetkých oblastiach. Hlavné požiadavky na pôdu a podzemnú vodu sú nasledovné:
- dostatočná vodná priepustnosť pôdy umožňujúca doplnenie zásob vody;
- dobrá chémia podzemnej vody (napr. nízky obsah železa), aby sa predišlo problémom s vodným kameňom v potrubí a koróziou.

Otvorené systémy sa častejšie využívajú na vykurovanie alebo chladenie veľkých budov. Najväčší geotermálny systém prenosu tepla na svete využíva podzemnú vodu ako zdroj tepelnej energie nízkej kvality. Tento systém sa nachádza v USA v Louisville, Kentucky. Systém slúži na zásobovanie teplom a chladom hotelového a kancelárskeho komplexu; jeho výkon je asi 10 MW.

Zoberme si ďalší zdroj - nádrž, na jej dno je možné položiť slučky z plastovej rúry, schéma „voda-voda / uzavretý systém“. Potrubím cirkuluje roztok etylénglykolu (nemrznúca zmes), ktorý odovzdáva teplo chladivu cez výmenník tepla (výparník) tepelného čerpadla.
Zem má schopnosť dlhodobo akumulovať slnečnú energiu, čo zaisťuje relatívne rovnomernú teplotu zdroja tepla počas celého roka a tým aj vysoký konverzný faktor tepelného čerpadla. Teplota v horných vrstvách pôdy sa mení podľa sezóny. Pod hranicou mrazu sú tieto teplotné výkyvy výrazne znížené. Teplo uložené v zemi sa odoberá pomocou horizontálne uložených hermetických výmenníkov tepla, nazývaných aj zemné kolektory, alebo pomocou vertikálne uložených výmenníkov tepla, takzvaných geotermálnych sond. Okolité teplo prenáša zmes vody a etylénglykolu (soľanka alebo médium), ktorej bod tuhnutia by mal byť približne -13°C (dodržujte údaje výrobcu). Vďaka tomu soľanka počas prevádzky nezamŕza.
To znamená, že existujú dve možnosti získania nízkopotenciálneho tepla z pôdy. Horizontálne uloženie plastových rúr do výkopov s hĺbkou 1,3-1,7 m, v závislosti od klimatických podmienok oblasti, alebo zvislých vrtov s hĺbkou 20-100 m. Pokládku rúr do výkopov je možné realizovať aj vo forme špirál , ale pri hĺbke uloženia 2-4 m sa tým výrazne zníži celková dĺžka rýh. Maximálny prestup tepla povrchovej pôdy je od 7 do 25 W s t.t., od geotermálnej 20-50 W s t.t. Podľa výrobných spoločností je životnosť zákopov a studní viac ako 100 rokov.

Trochu viac o vertikálnych zemných výmenníkoch tepla.

Od roku 1986 sa vo Švajčiarsku pri Zürichu uskutočňuje výskum systému s vertikálnymi zemnými výmenníkmi tepla. V zemnom masíve bol usporiadaný vertikálny zemný výmenník tepla koaxiálneho typu s hĺbkou 105 m. Tento výmenník bol využívaný ako zdroj nekvalitnej tepelnej energie pre systém prenosu tepla inštalovaný v jednobytovom bytovom dome. Vertikálny zemný výmenník tepla poskytoval špičkový výkon približne 70 wattov na meter dĺžky, čo vytváralo značné tepelné zaťaženie okolitej zemnej hmoty. Ročná produkcia tepelnej energie je cca 13 MWh.
Vo vzdialenosti 0,5 a 1 m od hlavnej studne boli vyvŕtané ďalšie dve studne, v ktorých boli inštalované snímače teploty v hĺbke 1, 2, 5, 10, 20, 35, 50, 65, 85 a 105 m, po ktorej boli jamky naplnené hlinito-cementovou zmesou. Teplota sa merala každých tridsať minút. Okrem teploty pôdy sa zaznamenávali aj ďalšie parametre: rýchlosť chladiacej kvapaliny, spotreba energie pohonu kompresora, teplota vzduchu atď.

Prvé pozorovacie obdobie trvalo od roku 1986 do roku 1991. Merania ukázali, že vplyv tepla vonkajšieho vzduchu a slnečného žiarenia je zaznamenaný v povrchovej vrstve pôdy v hĺbke do 15 m. Pod touto úrovňou sa tepelný režim pôdy vytvára najmä v dôsledku teplo zemského vnútra. Počas prvých 2-3 rokov prevádzky teplota zeminy obklopujúcej vertikálny výmenník prudko klesla, no každým rokom sa pokles teploty znižoval a po niekoľkých rokoch sa systém dostal do režimu blízkeho konštante, kedy teplota hmota pôdy okolo výmenníka tepla sa znížila o 1 -2°C oproti pôvodnému.

Na jeseň 1996, desať rokov od spustenia prevádzky systému, boli merania obnovené. Tieto merania ukázali, že teplota zeme sa výrazne nezmenila. V ďalších rokoch boli zaznamenané mierne výkyvy prízemnej teploty v rozmedzí 0,5 °C v závislosti od ročného vykurovacieho zaťaženia. Systém sa teda po prvých rokoch prevádzky dostal do kvázistacionárneho režimu.

Na základe experimentálnych údajov boli vybudované matematické modely procesov prebiehajúcich v pôdnom masíve, ktoré umožnili dlhodobú predpoveď zmien teploty pôdneho masívu.

Matematické modelovanie ukázalo, že ročný pokles teploty bude postupne klesať a objem pôdy okolo výmenníka tepla, podliehajúci poklesu teploty, sa bude každým rokom zvyšovať. Na konci prevádzkového obdobia začína proces regenerácie: teplota pôdy začína stúpať. Povaha regeneračného procesu je podobná povahe procesu „výberu“ tepla: v prvých rokoch prevádzky dochádza k prudkému zvýšeniu teploty pôdy a v nasledujúcich rokoch sa rýchlosť zvyšovania teploty znižuje. Dĺžka „regeneračného“ obdobia závisí od dĺžky prevádzkového obdobia. Tieto dve obdobia sú približne rovnaké. V tomto prípade bola doba prevádzky zemného výmenníka tridsať rokov a aj doba „regenerácie“ sa odhaduje na tridsať rokov.

Systémy zásobovania budov teplom a chladom, využívajúce nízkokvalitné zemské teplo, sú teda spoľahlivým zdrojom energie, ktorý sa dá využiť všade. Tento zdroj je možné využívať pomerne dlho a je možné ho na konci prevádzkového obdobia obnoviť.

Výpočet horizontálneho kolektora tepelného čerpadla

Odvod tepla z každého metra potrubia závisí od mnohých parametrov: hĺbka pokládky, dostupnosť podzemnej vody, kvalita pôdy atď. Orientačne sa dá uvažovať, že pre horizontálne kolektory je to 20 W.m.p. Presnejšie: suchý piesok - 10, suchá hlina - 20, mokrá hlina - 25, hlina s vysokým obsahom vody - 35 W.m.p. Rozdiel v teplote chladiacej kvapaliny v doprednom a spätnom vedení slučky sa vo výpočtoch zvyčajne považuje za 3 °C. Na mieste kolektora by sa nemali stavať budovy tak, aby teplo zeme, t.j. náš zdroj energie, doplnený energiou vďaka slnečnému žiareniu.

Minimálna vzdialenosť medzi položenými rúrami by mala byť aspoň 0,7-0,8 m Dĺžka jedného výkopu sa môže meniť od 30 do 150 m Je dôležité, aby dĺžky pripojených okruhov boli približne rovnaké. Ako chladivo primárneho okruhu sa odporúča použiť roztok etylénglykolu (médium) s bodom tuhnutia približne -13 ° C. Pri výpočtoch je potrebné vziať do úvahy, že tepelná kapacita roztoku pri teplote 0 °C je 3,7 kJ/(kg K) a hustota je 1,05 g/cm3. Pri použití média je strata tlaku v potrubí 1,5-krát väčšia ako pri cirkulujúcej vode. Pre výpočet parametrov primárneho okruhu inštalácie tepelného čerpadla bude potrebné určiť prietok média:

Vs = Qo 3600 / (1,05 3,7 .t),
kde t je teplotný rozdiel medzi prívodným a spätným potrubím, ktorý sa často považuje za 3 o K. Potom Qo je tepelná energia získaná z nízkopotenciálneho zdroja (pôdy). Posledná hodnota sa vypočíta ako rozdiel medzi celkovým výkonom tepelného čerpadla Qwp a elektrickým výkonom vynaloženým na ohrev chladiva P:

Qo = Qwp - P, kW.

Celková dĺžka kolektorových rúr L a celková plocha plochy pod ňou A sa vypočítajú podľa vzorcov:

Tu q - špecifický (z 1 m potrubia) odvod tepla; da - vzdialenosť medzi rúrkami (krok kladenia).

Príklad výpočtu. tepelné čerpadlo.
Počiatočné podmienky: potreba tepla chaty s rozlohou 120-240 m2 (na základe tepelných strát, berúc do úvahy infiltráciu) - 13 kW; teplota vody vo vykurovacom systéme sa predpokladá na 35 °C (podlahové kúrenie); minimálna teplota nosiča tepla na výstupe do výparníka je 0 °С. Na vykurovanie objektu bolo vybrané tepelné čerpadlo s výkonom 14,5 kW z existujúceho technického sortimentu zariadení s prihliadnutím na straty viskozitou média pri výbere a prenose tepelnej energie zo zeme je 3,22. kW. Odvod tepla z povrchovej vrstvy pôdy (suchá hlina), q sa rovná 20 W/r.m. Podľa vzorcov vypočítame:

1) požadovaný tepelný výkon kolektora Qo = 14,5 - 3,22 = 11,28 kW;
2) celková dĺžka rúr L = Qo/q = 11,28/0,020 = 564 r.m. Na usporiadanie takéhoto kolektora je potrebných 6 okruhov s dĺžkou 100 m;
3) s krokom pokládky 0,75 m, požadovaná plocha pozemku A \u003d 600 x 0,75 \u003d 450 m2;
4) celková náplň roztoku etylénglykolu Vs = 11,28 3600/ (1,05 3,7 3) = 3,51 m3, v jednom okruhu sa rovná 0,58 m3.

Pre kolektorové zariadenie vyberáme plastovú rúrku veľkosti 32x3. Tlaková strata v ňom bude 45 Pa/m.p.; odpor jedného okruhu je približne 7 kPa; prietok chladiacej kvapaliny - 0,3 m / s.

Výpočet sondy

Pri použití zvislých vrtov s hĺbkou 20 až 100 m sa do nich ponoria plastové rúry v tvare U (s priemermi od 32 mm). Spravidla sa do jednej jamky vkladajú dve slučky naplnené roztokom kaše. V priemere môže byť merný odvod tepla takejto sondy rovný 50 W/t. Môžete sa tiež zamerať na nasledujúce údaje o odvode tepla:

• suché sedimentárne horniny - 20 W / m;
• skalnatá pôda a vodou nasýtené sedimentárne horniny - 50 W / m;
• horniny s vysokou tepelnou vodivosťou - 70 W / m;
• podzemná voda - 80 W/m.

Teplota pôdy v hĺbke viac ako 15 m je konštantná a je približne +9 °C. Vzdialenosť medzi studňami by mala byť väčšia ako 5 m.V prítomnosti podzemných prúdov by mali byť studne umiestnené na priamke kolmej na tok.
Výber priemerov potrubí sa vykonáva na základe tlakových strát pre požadovaný prietok chladiacej kvapaliny. Výpočet prietoku kvapaliny sa môže vykonať pre t = 5 °C.

Príklad výpočtu.

Počiatočné údaje sú rovnaké ako vo vyššie uvedenom výpočte horizontálneho kolektora. Pri mernom odvode tepla sondy 50 W/m a požadovanom výkone 11,28 kW by mala byť dĺžka sondy L 225 m.
Na konštrukciu kolektora je potrebné vyvŕtať tri studne s hĺbkou 75 m. Do každej z nich umiestnime dve rúrkové slučky veľkosti 32x3; celkom - 6 vrstevníc po 150 m.

Celkový prietok chladiacej kvapaliny pri t = 5 °С bude 2,1 m3/h; prietok jedným okruhom - 0,35 m3 / h. Okruhy budú mať nasledujúce hydraulické charakteristiky: tlaková strata v potrubí - 96 Pa/m (nosič tepla - 25% roztok etylénglykolu); odpor slučky - 14,4 kPa; rýchlosť prúdenia - 0,3 m/s.

Výber vybavenia

Keďže teplota nemrznúcej zmesi sa môže meniť (od -5 do +20 °C), v primárnom okruhu inštalácie tepelného čerpadla je potrebná hydraulická expanzná nádrž.
Odporúča sa tiež nainštalovať akumulačnú nádrž na vykurovacie (kondenzačné) vedenie tepelného čerpadla: kompresor tepelného čerpadla pracuje v režime zapnuté-vypnuté. Príliš časté štarty môžu viesť k zrýchlenému opotrebovaniu jeho častí. Nádrž je tiež užitočná ako akumulátor energie - v prípade výpadku prúdu. Jeho minimálny objem sa odoberá rýchlosťou 20-30 litrov na 1 kW výkonu tepelného čerpadla.

Pri použití bivalencie, druhého zdroja energie (elektrický, plynový kotol na kvapalné alebo tuhé palivá), sa zapája do okruhu cez akumulačnú nádrž, ktorá je zároveň tepelným hydrorozdeľovačom, kotol sa zapína tepelným čerpadlom resp. automatizačný systém vyššej úrovne.
V prípade možných výpadkov elektriny je možné zvýšiť výkon inštalovaného tepelného čerpadla o faktor vypočítaný podľa vzorca: f = 24/(24 - t off), kde t off je doba trvania výpadku elektriny.

V prípade možného výpadku elektriny na 4 hodiny bude tento koeficient rovný 1,2.
Výkon tepelného čerpadla je možné zvoliť na základe monovalentného alebo bivalentného režimu jeho prevádzky. V prvom prípade sa predpokladá využitie tepelného čerpadla ako jediného generátora tepelnej energie.

Malo by sa vziať do úvahy: aj u nás je trvanie období s nízkou teplotou vzduchu malou súčasťou vykurovacieho obdobia. Napríklad pre strednú oblasť Ruska je čas, keď teplota klesne pod -10 °C, iba 900 hodín (38 dní), pričom samotná sezóna trvá 5112 hodín a priemerná januárová teplota je približne -10 °C. Preto je najvhodnejšia prevádzka tepelného čerpadla v bivalentnom režime, ktorý umožňuje začlenenie dodatočného zdroja v obdobiach, keď teplota vzduchu klesne pod určitú hodnotu: -5 ° С - v južných oblastiach Ruska, -10 ° С - v centrálnych. To umožňuje znížiť náklady na tepelné čerpadlo a najmä na inštaláciu primárneho okruhu (ukladanie rýh, vŕtanie studní a pod.), ktoré výrazne narastajú so zvyšovaním kapacity inštalácie.

V podmienkach stredného regiónu Ruska sa pre hrubý odhad pri výbere tepelného čerpadla pracujúceho v bivalentnom režime môžete zamerať na pomer 70/30: 70 % potreby tepla pokrýva tepelné čerpadlo, a zvyšných 30 % elektrickým alebo iným zdrojom tepelnej energie. V južných regiónoch sa môžete riadiť pomerom výkonu tepelného čerpadla a prídavného zdroja tepla, často používaného v západnej Európe: 50 ku 50.

Pre chatu s rozlohou 200 m2 pre 4 osoby s tepelnou stratou 70 W/m2 (prepočítané pri teplote vonkajšieho vzduchu -28°C) bude potreba tepla 14 kW. K tejto hodnote pridajte 700 W pre teplú úžitkovú vodu. V dôsledku toho bude požadovaný výkon tepelného čerpadla 14,7 kW.

Ak existuje možnosť dočasného výpadku prúdu, musíte toto číslo zvýšiť o príslušný faktor. Povedzme, že denná doba odstávky je 4 hodiny, potom by mal byť výkon tepelného čerpadla 17,6 kW (násobiaci faktor - 1,2). V prípade monovalentného režimu je možné zvoliť tepelné čerpadlo zem-voda s výkonom 17,1 kW, ktoré spotrebuje 6,0 kW elektrickej energie.

Pre bivalentný systém s prídavným elektrickým ohrievačom a teplotou prívodu studenej vody 10 °C pre potrebu teplej vody a bezpečnostný faktor by mal byť výkon tepelného čerpadla 11,4 W a elektrokotla 6,2 kW (spolu 17,6 ). Špičkový elektrický výkon spotrebovaný systémom bude 9,7 kW.

Približné náklady na elektrickú energiu spotrebovanú za sezónu, keď tepelné čerpadlo pracuje v monovalentnom režime, budú 500 rubľov a v bivalentnom režime pri teplotách nižších ako (-10 C) - 12 500. Náklady na nosič energie pri použití iba zodpovedajúceho kotla bude: elektrina - 42 000, motorová nafta - 25 000 a plyn - asi 8 000 rubľov. (ak v Rusku existuje plynovod a nízke ceny plynu). V súčasnosti sa na naše pomery z hľadiska prevádzkovej účinnosti tepelné čerpadlo vyrovná len plynovému kotlu novej série a z hľadiska prevádzkových nákladov, životnosti, bezpečnosti (nie je potrebná kotolňa) a ekologickosti je prevyšuje všetky ostatné druhy výroby tepla.

Treba si uvedomiť, že pri inštalácii tepelných čerpadiel treba v prvom rade dbať na izoláciu budovy a osadenie okien s dvojitým zasklením s nízkou tepelnou vodivosťou, čím sa znížia tepelné straty budovy, a tým aj náklady na prácu a zariadení.

Vzhľadom na skutočnosť, že tepelné čerpadlo je zariadenie, ktoré si vyžaduje pomerne vážne náklady na nákup a inštaláciu, otázka jeho výberu by sa mala riešiť obzvlášť opatrne. Prvá vec, ktorú musí potenciálny kupujúci urobiť, je urobiť aspoň približný výpočet výkonu zariadenia, ktorý je vhodný na efektívnu prevádzku v konkrétnych podmienkach. Pri vypracovaní projektu tepelného čerpadla sa samozrejme môžete obrátiť na špecialistov, ale aby ste mohli odhadnúť približné náklady, niektoré prvotné kalkulácie si môžete urobiť sami.

Tepelné čerpadlo, ktorého dizajn je pomerne komplikovaný podnik, sa vyberá v závislosti od oblasti domu, stupňa jeho izolácie a priemerných teplotných hodnôt v chladnom období. Kompletný projekt okrem výpočtu potrebnej kapacity zahŕňa určenie parametrov zemného kolektora pre geotermálne čerpadlo, výpočet počtu a priemeru potrubí pre studňu v prípade systému voda-voda. Správny výpočet tepelného čerpadla zahŕňa zohľadnenie mnohých faktorov: od charakteristík pôdy na mieste až po materiál, z ktorého je dom postavený.

Vývoj vykurovacieho systému na báze tepelného čerpadla

Ak máte vážny záujem o taký progresívny spôsob vykurovania domu, akým sú tepelné čerpadlá, potom je najlepšie uprednostniť služby špecialistov so špecializovaným vzdelaním a bohatými skúsenosťami s takýmto zariadením. Je to preto, že správna konštrukcia tepelného čerpadla a celého vykurovacieho systému pre domácnosť vám umožní zabudnúť na problémy s teplom na mnoho rokov a užívať si stabilnú efektívnu prevádzku zariadenia.

V prvom rade sa oplatí rozhodnúť o zdroji tepla, ktorý sa premení na energiu pre chladiacu kvapalinu vo vykurovacom systéme. Od toho, či to bude pôda, voda alebo vzduch, závisí jednak od výroby tepelných čerpadiel (alebo skôr technológie výroby), jednak od produktivity a od ceny samotného zariadenia a inštalačných prác. Jedným z najefektívnejších systémov je voda-voda, ale vyžaduje si nádrž v blízkosti domu alebo dostatočné množstvo spodnej vody na mieste.

Treba si uvedomiť, že tepelné čerpadlo sa viac využíva pre nízkoteplotné zdroje tepla, ideálna je kombinácia so systémom „teplá podlaha“, ale je možné ho kombinovať aj s tradičnými generátormi. Pri výbere tepelných čerpadiel sa ich tepelný výpočet vykonáva tak, aby sa zohľadnilo, či je schopné samostatne vykurovať miestnosť aj v najchladnejšom počasí, alebo či je potrebné v systéme zabezpečiť doplnkový zdroj tepla, napríklad elektrický kotol. Termodynamický výpočet zohľadňuje minimálne teploty, ktoré je možné dosiahnuť v zime.

Je tiež potrebné vziať do úvahy potrebu dodávky teplej vody v domácnosti, ak je takáto funkčnosť potrebná, potom sa do požadovaného výkonu započítava ďalších 20%.

Príklad výpočtu tepelného čerpadla

Máme teda dvojpodlažnú budovu s rozlohou 250 m2. s výškou stropu 2,7 m Predpokladajme, že teplota v miestnosti je + 20 ° C a na ulici -26 ° C. Ďalej vypočítame výkon tepelného čerpadla na vykurovanie domu:

0,434*250*2,7*(20-(-26)) = 13475,7 kW - maximálny požadovaný výkon na vykurovanie v súlade s SP 50.13330-2012

Takýto výpočet neznamená veľké straty. Straty v tomto prípade môžu byť aj nižšie ako 13475,7 kW.

Presnejší tepelný výpočet je možné urobiť individuálne. Zohľadní všetky materiály stien, okien, stropov atď.

Výpočet okruhu tepelného čerpadla, ktorý pôjde na vykurovanie a chladenie miestnosti, je zložitejší a vykonávajú ho odborníci.