Базы методики проектирование теплонасосных систем с горизонтальными грунтовыми теплообменниками

Данная статья является продолжением серии статей, описывающих работу термических насосов [7]. В истинной статье излагаются базы методики проектирования (расчета) термических наосов с горизонтальными грунтовыми теплообменниками, нашедших широкую популярность в продвинутых странах.

Исходя из убеждений спеца по отоплению, грунт является неиссякаемым источником термический энергии. Отобрать геотермальное тепло (теплота грунта) можно только с помощью термических насосов. Термический насос — это аппарат, который позволяет передавать теплоту от прохладного (низкотемпературного) источника к теплому (высокотемпературному) потребителю. Термические насосы, которые употребляют для отбора тепла грунта, время от времени именуют грунтовыми. Это понятие достаточно условное, т.к. один и тот же термический насос может быть 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 воздействием лучистой энергии Солнца, радиогенного тепла из глубинных слоев Земли, конвективного термообмена с атмосферным воздухом и теплопереноса за счет разных массообменных процессов (дождик, таяние снега, грунтовая вода и т.д.).

В забугорной литературе существует несколько разных классификаций грунтов. Нас, в основном, интересует систематизация грунтов по их теплопроводимости. В нижеприведенной таблице 1 употребляется данные известного южноамериканского справочника ASHRAE [3 ].

Систематизация грунта по [3]

Таблица 1

Класс грунта

l , Вт/(м*°С)

Тип грунта

Очень низкая теплопроводимость

<1

Легкая глина (15% влажность)

Низкая теплопроводимость

<1,5

Томная глина (5% влажность)

Обычная теплопроводимость

<2

Томная глина (15% влажность) Легкий песок (15% влажность)

Высочайшая влажность

<2,5

Тяжкий песок (5% влажность)

Очень высочайшая теплопроводимость

>2.5

Тяжкий песок (15% влажность)

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.

Систематизация грунта по [4]

Таблица 2

Класс грунта

l , Вт/(м*°С)

Тип грунта

Очень низкая теплопроводимость

<1

Заторфонные грунты и торфы

Низкая теплопроводимость

<1,5

Суглинки и глины, супесь пылеватая, легкая супесь пылеватая

Обычная теплопроводимость

<2

Томная супесь пылеватая

Легкий песок

Высочайшая влажность

<2,5

Тяжкий песок (5% влажность)

Очень высочайшая теплопроводимость

>2.5

Тяжкий песок (15% влажность)

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 находится в зависимости от влажности, агрегатного состояния воды в грунте и температуры. При этом в особенности очень влажность изменяется при замерзании грунта. Данные [4] молвят о том, что теплопроводимость промерзлых грунтов l f составляет

l f =1.05…2.1* l th.

(1)

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 более 8 метров температура фактически постоянна в течение года (конфигурации составляют только 1/20 конфигураций на поверхности). За границей существует такое понятие, как температура грунта. Справочник ASHRAE [3] предлагает определять температуру грунта по температуре грунтовых вод в данной местности. Если исходить из температуры грунтовых вод, то она колеблется в границах 8-10°С для критерий Беларуси.

Значение количества радиогенной теплоты составляет (для зоны Центральной Европы) 0,05-0,12 Вт/м 2 [2]. Если оно не понятно, то обычно принимается 0,1 Вт/м 2.

Рис. 1. Рассредотачивание температур грунта по глубине

Существует два главных метода отбора геотермального тепла – с помощью открытых и закрытых контуров. Под открытым контуром понимают внедрение теплоты грунтовых вод, предусматривающих доставку этих вод на поверхность, использования их теплоты и возврат в пласт. Под закрытым контуром понимают 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 случаях очень критическим условием.

A

B

C

Рис. 2. Разводка труб горизонтального (А), вертикального ( B) грунтовых теплообменников и варианты укладки горизонтального теплообменника в траншею (С) [6]

Трубы горизонтальных теплообменников располагают в траншеях. Размещение труб в траншее обычно производится 2-мя основными методами: прямые и свитые в спираль трубы. В жизни есть и другие, время от времени достаточно экзотичные, методы, к примеру, трубопроводы, прикрывают сверху медными пластинками ( copper fins) – видимо для улучшения термообмена.

В этой статье мы не смогли обойти вниманием таковой вопрос, как выпор типа термических насосов. Разглядим тут несколько принципиальных черт термических 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 стандартных критерий все эти значения дает завод-изготовитель термического насоса. Из всего ряда компаний выберем известную французскую фирму CIAT. В таблице представлены данные, взятые из справочника для термического насоса LGN-100 Z этой компании. Термический насос LGN-100 Z употребляет в качестве хладагента R407 c. Из этой таблицы просто получить значение COP, которое равно

COP = Qh/N .

(2)

На рисунке 3 приведены графики зависимости коэффициента трансформации от температуры воды (антифриза) на выходе из испарителя.

Свойства термического насоса LGN 100 Z
(при температуре конденсации 55°С)

Таблица 3

Температура воды на выходе из испарителя,°С

Qc, кВт

N, кВт

Q h, кВт

COP

Водно-гликолевая смесь

-8

13,8

9

22,8

2,53

-4

16

9,1

25,1

2,76

2

20,4

9,4

29,9

3,18

Вода

5

23,2

9,5

32,7

3,44

7

25

9,5

34,6

3,64

12

30

9,6

39,6

4,16

Вы можете оставить комментарий, или ссылку на Ваш сайт.

Оставить комментарий

recuperatio.ru