На главную Обратная связь Карта сайта

Статьи по теплоизоляции

Базы методики проектирование теплонасосных систем с горизонтальными грунтовыми теплообменниками
Данная
статья является продолжением серии статей, описывающих работу тепловых
насосов [7]. В истинной статье излагаются базы методики проектирования
(расчета) тепловых наосов с горизонтальными грунтовыми теплообменниками,
нашедших широкую популярность в продвинутых странах.
Исходя из убеждений спеца по отоплению, грунт является неиссякаемым источником
тепловой энергии. Отобрать геотермальное тепло (теплота грунта) можно только с
помощью тепловых насосов. Тепловой насос - это аппарат, который дозволяет
передавать теплоту от прохладного (низкотемпературного) источника к теплому
(высокотемпературному) потребителю. Термо насосы, которые употребляют для
отбора тепла грунта, время от времени именуют грунтовыми. Это понятие достаточно условное,
т.к. один и этот же тепловой насос быть может применен, как для отбора
теплоты грунта, так для отбора теплоты от воды, ну и из воздуха.
При отборе теплоты Земли употребляют ее верхний слои, находящиеся
на глубине до 100 метров от поверхности. Исходя из убеждений термообмена этот слой
грунта находится под действием лучистой энергии Солнца, радиогенного тепла
из глубинных слоев Земли, конвективного термообмена с атмосферным воздухом и
теплопереноса за счет разных массообменных действий (дождик, таяние снега,
грунтовая вода и т.д.).
В забугорной литературе существует несколько разных
классификаций грунтов. Нас, в большей степени, интересует классификация грунтов
по их теплопроводимости. В нижеприведенной таблице 1 употребляется данные
известного южноамериканского справочника ASHRAE [3 ].
В русских источниках нами обнаружены таблицы 3 СНиП 2.02.04-88
[4], на базе которой можно составить таблицу 2 по определению
теплопроводимости талого грунта - l th.
Из сопоставления таблиц 1 и 2 видно, что данные американских и
русских справочников достаточно адекватны. Для четкого определения теплопроводимости
грунтов нужно проводить экспериментальные исследования теплопроводимости в
месте предполагаемого строительства.
Отметим, что теплопроводимость грунта не является величиной
неизменной в течение года. Она зависит от влажности, агрегатного состояния
воды в грунте и температуры. При этом в особенности сильно влажность изменяется при
замерзании грунта. Данные [4] молвят о том, что теплопроводимость мерзлых
грунтов
l f О температуре грунта на различной глубине у создателя есть только
данные из забугорных источников (см. рис.1 [1]). Из этих данных можно сделать
вывод, что на глубине наиболее 8 метров температура фактически постоянна в
течение года (конфигурации составляют лишь 1/20 конфигураций на поверхности). За
границей существует такое понятие, как температура грунта. Справочник ASHRAE
[3] дает определять температуру грунта по температуре грунтовых вод в
данной местности. Ежели исходить из температуры грунтовых вод, то она колеблется
в пределах 8-10°С для критерий Беларуси.
Значение количества радиогенной теплоты составляет (для зоны
Центральной Европы) 0,05-0,12 Вт/м 2 [2]. Ежели оно не понятно, то традиционно
принимается 0,1 Вт/м 2.
Рис. 1. Распределение температур грунта по глубине
Существует два главных метода отбора геотермального тепла – с
помощью открытых и закрытых контуров. Под открытым контуром соображают
внедрение теплоты грунтовых вод, предусматривающих доставку этих вод на
поверхность, использования их теплоты и возврат в пласт. Под закрытым контуром
соображают внедрение теплоты грунта при помощи промежных теплообменников и
теплоносителей. В свою очередь системы с закрытыми контурами различают по типу
теплообменников – горизонтальные (рис. 2а) и вертикальные (рис.2в). Устройство
закрытых контуров с вертикальными теплообменниками дороже, чем с
горизонтальными теплообменниками. В тоже время контура с горизонтальными
теплообменниками занимают огромные площади, что может оказать в неких
вариантах очень критичным условием.
Трубы горизонтальных теплообменников располагают в траншеях.
Размещение труб в траншее традиционно выполняется 2-мя основными методами: прямые
и свитые в спираль трубы. В жизни есть и остальные, время от времени достаточно
экзотические, методы, к примеру, трубопроводы, прикрывают сверху медными
пластинками ( copper fins) – видимо для улучшения термообмена.
В данной статье мы не смогли обойти вниманием таковой вопросец, как
выпор типа тепловых насосов. Разглядим тут несколько принципиальных черт
тепловых насосов: теплопроизводительность, СОР – коэффициент трансформации,
температура теплоносителя на входе в конденсатор (либо же температуру
конденсации, которая на 10°С выше) и температура антифриза на выходе из
испарителя. Для обычных критерий все эти значения дает завод-изготовитель теплового
насоса. Из всего ряда компаний выберем известную французскую фирму CIAT. В таблице
представлены данные, взятые из справочника для теплового насоса LGN-100 Z данной
компании. Тепловой насос LGN-100 Z употребляет в качестве хладагента R407 c. Из
данной таблицы просто получить значение COP, которое равно
На рисунке 3 приведены графики зависимости коэффициента трансформации от
температуры воды (антифриза) на выходе из испарителя.
Выбор теплового насоса на стадии проектирования не является обычный задачей.
Это соединено с тем, что тепловой насос никогда не подбирают на полную пиковую
отопительную нагрузку. Ежели это сделать, то капитальные издержки будут так
значительны, что окупаемость вашего решения не наступит никогда. Понятно, что выбрав
тепловой насос не на пиковую нагрузку, нужно будет предугадать
особый пиковый доводчик. В качестве крайнего традиционно используют
электрокотлы. И тут возникает вопросец: «На какую нагрузку подбирать термо
насосы?».
Рис.3. Тепловой насос CIAT марки LGP
Моделирование работы теплового насоса совместно с грунтовым теплообменником
быть может проведено при помощи программы по имитационному моделированию –
МОДЭН, разработанной ОДО «Энерговент» [8]. На основание бессчетных
компьютерных тестов и сопоставления приобретенных данных с известными
забугорными методиками, также беря во внимание опыт устройства теплонасосной
установки с грунтовыми теплообменниками на водозаборе Мухавецкий (Брест), в ОДО
«Энерговент» были подготовлены советы по проектированию таковых систем. В
истинной статье мы воспользуемся только некими данными из этих советов.
Для приятного показа этого факта разглядим как ведет себя
горизонтальный теплообменник, состоящий из 2-ух труб Dнар=32 мм уложенных в
траншею длиной 100м. Зададимся исходной температурой грунта 10°С и
температурой антифриза равной минус 10°С и начнем отбирать тепло грунта
(теплопроводимость грунта принята равной 3 Вт/(м*°С).
Очередной вопросец. Какой мощностью, как теплоисточник, владеет в
процессе работы теплового насоса грунт? Для ответа на этот вопросец проведем
компьютерный опыт.
На рисунке 4 приведены результаты компьютерного опыта,
выполненного в рамках программы МОДЭН (версия 2.1). Начинается опыт 1
ноября и заканчивается 1 марта.
Рис. 4. Результаты компьютерного опыта, выполненного при помощи программы
МОДЭН
Проанализируем график. На первой стадии можно отобрать наиболее 4000 Вт, но этот
период продолжается недолго дальше происходит падение до 1500 Вт, а потом снова начинается
маленький рост. Падение теплоотбора соединено с остыванием грунта (работа
теплообменника и снижение температуры внешнего воздуха), а рост обоснован
повышением солнечной радиации и неким ростом температур внешнего воздуха.
Средний же отбор за расчетный период составит Qср =2232 Вт. Фактически сиим
расчетным отбором теплоты мы и обладаем. В какие-то часы его можно превысить, в
какие-то напротив, но средний отбор не должен превосходить данной числа. Для
нахождения значения требуемой мощности теплового насоса воспользуемся достаточно
обычный методикой чрезвычайно всераспространенной в США.
Коэффициент 2 в данной формуле учитывает тот факт, что
длительность отопительного периода составляет, приблизительно, 50% всего
года. На данный момент мы не будем ставить под колебание эту формулу, хотя, непременно,
она нуждается в уточнении.
Как уже было ранее сказано, трубопроводы горизонтального
теплообменника укладывают в траншеи. Число труб в траншее быть может разным
(1,2, 4, 6, 10 и т.д.), как и расстояние меж траншеями. Почему бы не уложить
все трубы в одну траншею? Заманчивость такового догадки ошибочна поэтому,
что как меж близко лежащими трубами, так и меж траншеями может появиться
интерференция, т.е. наложение температурных полей, приводящая к существенному
понижению теплового потока от грунта к трубам. Потому, ежели представить, что
труб, уложенных в одиночную траншею с одной трубой нужно Lтр1, то число
труб в настоящих критериях равно
Kтр – поправочный коэффициент, учитывающий число труб в траншее
(см. табл. 4),
Kтран – поправочный коэффициент, учитывающий расстояние меж
траншеями, расчеты демонстрируют, что ежели расстояние меж траншеями наиболее 2 м,
то Kтран=1.
Учитывать все причины методом введения коэффициентов (типа Kтр, и
Kтран) не постоянно представляется вероятным. Более желаемым является
прямой расчет для соответственных критерий. В текущее время таковой прямой
поверочный расчет быть может выполнен при помощи программ имитационного
моделирования. Проведя ряд таковых расчетов, мы желаем показать читателю статьи
влияние отдельных характеристик на величину теплоотбора теплообменником.
Влияние температуры грунта, теплопроводимости грунта и температуры
антифриза (теплоносителя циркулирующего через испаритель теплового насоса)
быть может оценено при помощи таблицы 5. Из таблицы видно, что температура
теплоносителя чрезвычайно сильно влияет на величину теплоотбора, дальше следует
теплопроводимость грунта и его температура, которая в меньшей степени влияет
на эту величину. Хотя приобретенные данные получены в итоге численного
расчета, создатель не совершенно верно осознает, почему так невелико влияние
коэффициента теплопроводимости? Я представлял, что это будет прямо
пропорциональная зависимость, как в случае стационарной задачки
теплопроводимости. В просмотренных мной забугорных источниках эта зависимость не
дискуссируется на численном уровне.
Пример.
Рассчитать горизонтальный грунтовый теплообменник и подобрать тепловой
насос для отопления строения размещенного в Минске. Расчетная перегрузка на
систему отопления составляет 80 кВт, теплопроводимость грунта равна 3 Вт/(м*°С).
Для Минска при работе системы
отопления при внешной температуре ниже +8°С, значение числа часов
максимума равно 2320 (рассчитано в програмке МОДЭН), при всем этом коэффициент
загрузки равен 0,264. Определяем требуемую мощность тепловых насосов по
формуле (5)
Для того, чтоб принять
более действенный вариант установки, проведем ряд расчетов на разные
значения числа труб в траншее (1, 2 и 4) и температуры антифриза (-10, -6
и -2°С). Покажем как проводится один из расчетов: одна труба в траншее и
температура антифриза -10°С
Принимаем к установке тепловой
насос компании CIAT марки LGN. Для таковых теплонасосов по графику на рис. 3
избираем СОР, который будет равен 2.35.Исходя из формулы (6) мощность
грунтового теплообменника составит
Как видно в таблице 5 нет
данных по теплоотдаче в траншее с одиночной трубой. Потому берем
аналогичную траншею, но с 2-мя трубами. Среднее значение отобранной
теплоты со 100 м траншеи, за отопительный период равно 2391 Вт. На 100 м трубы
теплосъем составит
Ежели в траншее лежит не 2, а
лишь одна труба, то теплосъем с учетом Ктр составит
Результаты расчета заносим в
таблицу 6.
Анализ результатов расчета
указывает, более экономичным, по статье капитальных издержек, являются
варианты с температурой антифриза равной -10°С. Это варианты с наименьшим
количеством труб и огромным типоразмером теплового насоса. Такие проекты
более популярны в Центральной Европе, что соединено с недочетом
площадей. Невзирая на огромные капитальные издержки, вариант с температурой
антифриза раной -2°С имеет наименьшие эксплуатационные издержки, что соединено с
наименьшим типоразмером теплового насоса. Большее количество труб просит
значимых площадей для их размещения. Такие проекты более популярны
в США и Канаде. Огласить о том, какой вариант имеет безоговорочные
достоинства, не представляется вероятным. Отличия меж затратами
полностью укладываются в рамки точности проведения вычислительного
опыта.
В статье рассмотрены главные
причины, действующие на работу горизонтальных грунтовых теплообменников:
теплопроводимость грунта, взаимодействие труб в траншее и траншей меж
собой, температура антифриза в контуре теплообменников.
Представлены главные положения
методики проектирования теплонасосных систем с горизонтальными грунтовыми
теплообменниками. Методика составлена на базе компьютерных
тестов, выполненных при помощи программы МОДЭН (версия 2.1).
Приведен пример подбора
теплонасосной установки с применением приобретенных результатов.
СОР - коэффициент трансформации теплового насоса,
С гр – теплоемкость грунта, Дж/(м 3*°С),
D нар – внешний поперечник трубопровода грунтового
теплообменника, м,
K загр - коэффициент загрузки теплового насоса,
K тран – коэффициент, учитывающий расстояние меж
траншеями,
K тр – коэффициент, учитывающий число труб
в траншее,
L тран – длина траншеи для размещения горизонтального
грунтового теплообменника, м,
L тр – длина трубопроводов горизонтального грунтового
теплообменника, м,
N – электрическая мощность привода теплового
насоса, Вт,
Т гр – температура грунта, °С,
Т ж – средняя температура антифриза (теплоносителя,
проходящего через испаритель),°С,
Q год- суммарный годовой расход тепловой энергии, Дж,
Q max- наибольшая тепловая перегрузка, Вт,
Q h – теплопроизводительность теплового
насоса, Вт,
Q c – холодопроизводительность теплового насоса, Вт,
Q тн – требуемая теплопроизводительность теплового насоса,
Вт,
Q гт – тепловая мощность грунтового теплообменника, Вт,
t max- число часов
использования максимума тепловой перегрузки, с (час),
t год -
длительность года,
l -теплопроводность, Вт/(м*°С),
lth -теплопроводность талого грунта, Вт/(м*°С),
lf -теплопроводность мерзлого грунта, Вт/(м*°С),
lст – теплопроводимость стены трубы, Вт/(м*°С).
Sanner B . DESCRIPTION OF GROUND SOURCE TYPES FOR THE HEAT PUMP . - www.geothermie.de/ueb_seiten/ub_sanner.htm
Sanner
B. Ground Heat Sources for Heat Pumps (classification, characteristics,
advantages) - www.geothermie.de/ueb_seiten/ub_sanner.htm
ASHRAE
Handbook. 1999 HVAC Application. Chapter 31. Energy resources.
СНиП 2.02.04-88. Основания и
фундаменты вечномерзлых грунтов.
Commercial
Earth Energy Systems: a Buyers Guide. - Her Majesty the Queen in Right of
Canada , 2002
Closed
Loop Ground-Coupled Heat Pumps - HPC-IFS2, January 2002
Волов Г.Я., Кочепасов К.Л. Внедрение
тепловых насосов в теплоснабжении и горячем водоснабжении. – Энергия и
менеджмент, 2002, NN2 и 3.
Волов Г.Я. Внедрение
имитационного моделирования в инженерную практику (программа МОДЭН, версия
2,0) – Энергия и менеджмент, 2001, NN 2, с. 30-33.
.
      
Наши филиалы: Самара / Омск / Казань / Челябинск / Ростов-на-Дону / Уфа / Москва /