geo-comfort@yandex.ru
Расчет земляного коллектора для тепловых насосов «грунт-вода»
Отбор тепла из грунта осуществляется горизонтальными коллекторами или вертикальными зондами.
Тепло из грунта отбирается горизонтальным геотермальным контуром, который переносит, а затем отдает его рабочей среде в тепловом насосе. Под источником тепла, применительно к грунту, понимается верхний слой почвы глубиной до 1,2 - 3,5 м.
Поступающее из глубинных слоев вверх тепло составляет лишь 0,063 - 0,1 Вт/м2, в качестве источника тепла для
верхних слоев им можно пренебречь.
Количество полезного тепла и, тем самым, размеры необходимой площади в значительной степени зависят от теплофизических свойств грунта и от энергии инсоляции, т. е. от климатических условий.
Такие термические характеристики верхнего слоя грунта, как объемная теплоемкость и теплопроводность, очень сильно
зависят от состава и состояния грунта. В качестве факторов влияния необходимо указать такие: обводненность грунта, содержание минеральных компонентов (например, кварца и полевого шпата), а также доля и размеры заполненных воздухом пор.
Упрощенно можно сказать, что аккумулирующие свойства и теплопроводность грунта тем выше, чем больше содержание
в нем воды, чем больше доля минеральных компонентов и чем меньше количество пор.
Удельный отбор мощности для грунта при этом составляет от 10 до 35 Вт/м2.
Сухая песчаная почва qE = 10-15 Вт/м2
Влажная песчаная почва qE = 15-20 Вт/м2
Сухая глинистая почва qE = 20-25 Вт/м2
Влажная глинистая почва qE = 25-30 Вт/м2
Почва с грунтовыми водами qE = 30-35 Вт/м2
Этими показателями определяется площадь грунта в зависимости от теплопотребления здания и состояния почвы. Необходимая площадь грунта определяется в зависимости от холодопроизводительности ІK теплового
насоса: разность между тепловой нагрузкой теплового насоса (ІТН) и его потребляемой мощностью (PТН).
ІK = ІТН – PТН
Пример:
Имеется тепловой насос мощностью 13 кВт, потребляемая мощность 3 кВт, следовательно, холодопроизводительность равна 13-3=10 кВт
Тепловой насос SDW-03 при температурах B0/W35 (B0 = входная температура рассола 0 °C,W35 = выходная температура теплоносителя 35 °C) имеет холодопроизводительность ІK = 10.0 кВт. При удельном отборе мощности іE, равном 25 Вт/м2 грунта, необходимая площадь для геоконтура составляет
FE = 10000/25 = 400 м2 грунта
Для отбора тепла с данной площади грунта требуется прокладка нескольких петель полиэтиленовых труб, заполненных специальной жидкостью (рассолом).
Для расчета длины контура необходимо также учитывать шаг укладки и диаметр трубы.
Был принят следующий шаг прокладки труб при длине трубных контуров 100 м (указываются диаметр и толщина стенки (20х2,0) :
-для полиэтиленовой трубы 20 × 2,0: прибл. 0,33 м (3 п.м трубы/м2),
- для полиэтиленовой трубы 25 × 2,3: прибл. 0,50 м (2 п.м трубы/м2),
- для полиэтиленовой трубы 32 × 2,9: прибл. 0,70 м (1,5 п.м трубы/м2),
при этом длина трубных контуров составляет 100 м.
Возвращаемся к нашему примеру: имеем необходимую площадь 400 м2.
Рассчитываем для труб разного диаметра:
d20 400*3=1200 п.м трубы делим на длину ветки 100, получаем 12 веток
d25 400*2=800 п.м 8 веток
d32 400*1,5=600 п.м. 6 веток.
Как видно из расчета, геотермальный контур может быть выполнен трубами различного диаметра, но оптимальным является d32. Для такого диаметра нужно всего 600 метров траншеи, что значительно сэкономит средства при земляных работах.
Компания SunDue разработала и запатентовала способ укладки геотермального контура «Многоэтажка». Он позволяет снять 75 ватт с погонного метра траншеи, и еще больше сэкономить на земляных работах, а также позволяет уменьшить площадь дорогостоящего земельного участка, выделяемую под геоконтур.
Необходимое количество теплоносителя
Следующий вопрос, требующий решения - это количество теплоносителя.
d20х2,0 - 0.201 л
d25х2,3 - 0,327 л
d32х3,0 - 0,531л
d40х2,3 - 0,984л
d40х3,7 - 0,835л
d50х2,9 - 1,595л
d50х4,46 -1,308л
d63х5,8 - 2,070л
d63х3,6 - 2,445л
Здесь мы указали большие диаметры для того, чтобы учесть объем трубы коллектора, который изготавливается бОльшим диаметром, чем ветки геотермального контура. Например: ветки d32- коллектор d63. Если коллекторный колодец расположен вне котельной, необходимо учитывать объем в подводящих трубах (подача и «обратка»).
Пример:
Длина контура d32х3,0 - 600 м
Коллектор d63х5,8 – 1 м
Подводящий трубопровод d40х3,7-10 м
600*0,531=318,6 л
1*2.070=2,1 л
10*0,835=8,3 л/spanfont-size: medium;font-size: 8.0pt; font-family: span style= lang=span style=margin-bottom: .0001pt; line-height: normal; mso-layout-grid-align: none; text-autospace: none;quot;, sans-serif;quot;arial
Итого: для данного контура необходимо 329 литров рассола.
Для приготовления рассола используют безвредный, применяемый даже в пищевой промышленности пропиленгликоль.
Земляной зонд – двойной U-образный трубчатый зонд
Для небольших земельных участков, а также при дооснащении существующих зданий, земляные зонды являются альтернативой горизонтальному коллектору. Ниже рассматривается двойной U-образный трубчатый зонд.
Другим вариантом являются две двойных U-образных петли полимерного трубопровода в одной скважине. Все промежутки между трубами и грунтом заполняются материалом с хорошей теплопроводностью (бетонитом).
-U-образный геозонд
RL Обратная магистраль рассольного контура
VL Подающая магистраль рассольного контура
A Бетонит-цементная суспензия
B Защитный колпачок
Охлажденный теплоноситель (рассол) перетекает к нижней точке, а затем обратно - к испарителю теплового насоса.
При этом он отбирает тепло. Опыт показывает, что удельный тепловой поток в значительной степени непостоянен и составляет от 20 до 100 Вт/м длины зонда. Если исходить из среднего значения 50 Вт/с - это означает, что, например, для теплового насоса холодопроизводительностью 10 кВт требуется зонд длиной 200 м, или четыре зонда по 50 м.
Расстояние между 2 земляными зондами должно составлять:
& при глубине до 50 м минимум 5 м
& при глубине до 100 м минимум 6 м
Возможный удельный отбор мощности для земляных зондов (двойных U-образных трубчатых зондов) с погонного метра.
__________________________________________________________________________
Грунт Удельный
отбор мощности
___________________________________________________________________________
Общие нормативные показатели
Плохой грунт (сухая осадочная порода)
(λ < 1,5 Вт/(м · K))............................................................................. 20 Вт/м
Нормальная твердая каменная порода и
насыщенная водой осадочная порода
(λ < 1,5‐3,0 Вт/(м · K)) .......................................................................50 Вт/м
Твердая каменная порода с высокой
теплопроводностью
(λ > 3,0 Вт/(м · K)) ..............................................................................70 Вт/м
______________________________________________________________________
Отдельные породы
Галька, сухой песок ..........................................................................< 20 Вт/м
Галька, влажный песок .....................................................................55-65 Вт/м
Влажная глина, суглинок ...................................................................30-40 Вт/м
Известняк (массивный) .....................................................................45-60 Вт/м
Песчаник ...............................................................................................55-65 Вт/м
Кислые магматические породы
(например, гранит) ..............................................................................55-70 Вт/м
Основные магматические породы
(например, базальт) ...........................................................................35-55 Вт/м
Гнейс .....................................................................................................60-70 Вт/м
________________________________________________________________________
Пример:
Геозонд имеет вид двойной U-образной трубы
Средний отбор мощности іE = 50 Вт/м длины зонда
ІK = 5,0 кВт
Длина зонда I = ІK/іE = 5000 Вт/50 Вт/м = 100 м
Выбранная труба для зонда: полиэтиленовая труба 32 × 3,0 (2,9) мм с 0,531 л/м
Необходимое количество теплоносителя
При количестве зондов > 1 необходимо предусмотреть распределитель рассола. Диаметр подводящего трубопровода должен быть больше диаметра трубных контуров, рекомендуется PE 32 - PE 63.
Земляной зонд в виде двойной U-образной трубы, подающая магистраль: 10 м (2 × 5 м) из полиэтиленовой трубы 32 × 3,0 (2,9)= 2 × 100 м × 2 × 0,531 л/м + 10 м × 0,531 л/м = 217,7 л
→ выбрано 220 л (включая количество рассола для теплового насоса)
Расчет источников тепла для тепловых насосов «вода-вода»
Грунтовые воды
Тепловые насосы вода-вода используют тепло, содержащееся в грунтовых водах.
A Тепловой насос
B Поглощающая скважина
C Добывающая скважина
D Напорная труба
E Нагнетательная труба
F Обратный клапан
G Погружной насос
H Направление потока грунтовых вод
K Колодезная скважина
L Насос промежуточного контура
M Теплообменник промежуточного контура (см. на стр. 31)
Тепловые насосы на грунтовых водах достигают высоких показателей мощности. Грунтовые воды в течение всего года имеют постоянную температуру от 7 до12 °C (для Европы). Поэтому, по сравнению с другими источниками тепла, требуется сравнительно небольшое повышение температуры, чтобы иметь возможность использовать воды для отопления.
Рекомендуется между отбором (добывающей скважиной) и возвратом воды в грунт (поглощающей скважиной) соблюдать расстояние не менее 5 м. Добывающая и поглощающая скважины должны быть ориентированы в направлении потока грунтовых вод, чтобы исключить "замыкание" потоков (см. рис.). Поглощающая скважина должна быть выполнена таким образом, чтобы выход воды происходил ниже уровня грунтовых вод.
Посредством нагнетательного насоса грунтовые воды подаются к испарителю теплового насоса. Там они отдают свое тепло рабочей среде или хладагенту, который при этом испаряется. Грунтовые воды в зависимости от конструкции
установки охлаждаются до разности температур 5 K, в остальном же их качество остается неизменным. В завершение вода
возвращается в подземные грунтовые воды через поглощающую скважину.
A Вода
B Рассол (антифриз)
Для приближенного расчета можно использовать следующую схему. Понижение 1 м3 воды на один градус дает 1 кВт тепла. Если на входе в тепловой насос имеем 10 градусов, а на выходе 6 С , то с одного кубометра воды получаем 4 кВт тепла.
Насос 10 кВт 10/4=2,5 м3. Для полноценной работы насоса такой мощности необходим дебет скважины 2,5 м3 воды в час.