Расчет горизонтального коллектора теплового насоса

Съем тепла с каждого метра трубы зависит от многих параметров: глубины укладки, наличия грунтовых вод, качества грунта и т.д. Ориентировочно можно считать, что для горизонтальных коллекторов он составляет 20 Вт.м.п. Более точно: сухой песок – 10, сухая глина – 20, влажная глина – 25, глина с большим содержанием воды – 35 Вт.м.п. Разницу температуры теплоносителя в прямой и обратной линии петли при расчетах, принимают обычно 3 °С. На участке коллектора, не следует возводить строений, чтобы тепло земли, т.е. наш источник энергии, пополнялся энергией за счет солнечной радиации.

Минимальное расстояние между проложенными трубами должно быть не менее 0, 7–0, 8 м. Длина одной траншеи может колебаться от 30 до 150 м., важно чтобы длины подключаемых контуров были примерно одинаковыми. В качестве теплоносителя первичного контура рекомендуется использовать раствор этиленгликоля (медиум) с точкой замерзания примерно -13 °C. В расчетах следует учесть, что теплоемкость раствора при температуре 0°С составляет 3, 7 кДж/(кг·К), а плотность – 1, 05 г/см3. При использовании медиума, потеря давления в трубах в 1, 5 раза больше, чем при циркуляции воды. Для расчета параметров первичного контура теплонасосной установки потребуется определить расход медиума:

Vs = Qo·3600 / (1, 05·3, 7·.t),

где.t – разность температур между подающей и возвратной линиями, которую часто принимают равной 3 оК. Тогда Qo – тепловая мощность, получаемая от низкопотенциального источника (грунт). Последняя величина рассчитывается как разница полной мощности теплового насоса Qwp и электрической мощности, затрачиваемой на нагрев хладагента P:

Qo = Qwp – P, кВт.

Суммарная длина труб коллектора L и общая площадь участка под него A рассчитываются по формулам:

L = Qo/q,

A = L·da.

Здесь q – удельный (с 1 м трубы) теплосъем; da – расстояние между трубами (шаг укладки).

Пример расчета. Теплового Насоса.

Исходные условия: теплопотребность коттеджа площадью 120–240 м2 (из расчета тепловых потерь с учетом инфильтрации) – 13 кВт; температура воды в системе отопления принимаем равной 35 °С (подполовой обогрев); минимальная температура теплоносителя на выход в испаритель – 0 °С. Для обогрева здания выбран тепловой насос мощностью 14, 5 кВт из существующего технического ряда оборудования, с учетом потерь на вязкости медиума, при отборе и передаче тепловой энергии из грунта, составляет 3, 22 кВт. Теплосъем с поверхностного слоя грунта (сухая глина), q равняется 20 Вт/м.п. В соответствии с формулами рассчитываем:

1) требуемая тепловая мощность коллектора Qo = 14, 5 – 3, 22 = 11, 28 кВт;

2) суммарную длину труб L = Qo/q = 11, 28/0, 020 = 564 м.п. Для организации такого коллектора потребуется 6 контуров длиной по 100 м;

3) при шаге укладки 0, 75 м необходимая площадь участка А = 600 х 0, 75 = 450 м2;

4) общая заправка этиленгликолевого раствора Vs = 11, 28·3600/ (1, 05·3, 7·3) = 3, 51 м3, в один контур равен 0, 58 м3.

Для устройства коллектора выбираем пластиковую трубу типоразмера 32х3. Потери давления в ней составят 45 Па/м.п.; сопротивление одного контура – примерно 7 кПа; скорость протока теплоносителя – 0, 3 м/с.

Расчет зонда

При использовании вертикальных скважин глубиной от 20 до 100 м в них погружаются U-образные пластиковые (при диаметрах от 32 мм) трубы. Как правило, в одну скважину вставляется две петли, с заливкой суспенсным раствором. В среднем удельный теплосъем такого зонда можно принять равным 50 Вт/м.п. Можно также ориентироваться на следующие данные по теплосъему:

- сухие осадочные породы – 20 Вт/м;
- каменистая почва и насыщенные водой осадочные породы – 50 Вт/м;
- каменные породы с высокой теплопроводностью – 70 Вт/м;
- подземные воды – 80 Вт/м.

Температура грунта на глубине более 15 м постоянна и составляет примерно +9 °С. Расстояние между скважинами должно быть более 5 м. При наличии подземных течений, скважины должны располагаться на линии, перпендикулярной потоку.

Подбор диаметров труб проводится исходя из потерь давления для требуемого расхода теплоносителя. Расчет расхода жидкости может проводиться для t = 5 °С.

Пример расчета.

Исходные данные – те же, что и в приведенном выше расчете горизонтального коллектора. При удельном теплосъеме зонда 50 Вт/м и требуемой мощности 11, 28 кВт длина зонда L должна составить 225 м.

Для устройства коллектора необходимо пробурить три скважины глубиной по 75 м. В каждой из них размещаем по две петли трубы типоразмера 32х3; всего – 6 контуров по 150 м.

Общий расход теплоносителя при.t = 5 °С составит 2, 1 м3/ч; расход через один контур – 0, 35 м3/ч. Контуры будут иметь следующие гидравлические характеристики: потери давления в трубе – 96 Па/м (теплоноситель – 25-процентный раствора этиленгликоля); сопротивление контура – 14, 4 кПа; скорость потока – 0, 3 м/с.

Выбор оборудования

Поскольку температура антифриза может изменяться (от –5 до +20 °С) в первичном контуре теплонасосной установки необходим гидравлический расширительный бак.

Рекомендуется также установить на отопительной (конденсаторной) линии теплового насоса накопительный бак: компрессор теплового насоса работает в режиме «включено-выключено». Слишком частые пуски могут привести к ускоренному износу его деталей. Бак полезен и как аккумулятор энергии – на случай отключения электроэнергии. Его минимальный объем принимается из расчета 20-30 л на 1 кВт мощности теплового насоса.

При использовании биваленции, второго источника энергии (электрического, газового, жидко- или твердотопливного котла), он подключается к схеме через аккумуляторный бак, являющимся еще и термогидрораспределителем, включение котла управляется тепловым насосом или верхним уровнем системой автоматики.

В случае возможных отключений электроэнергии можно увеличить мощность устанавливаемого теплового насоса на коэффициент, рассчитываемый по формуле: f = 24/(24 – t откл), где t откл – продолжительность перерыва в электроснабжении.

В случае возможного отключения электроэнергии на 4 ч этот коэффициент будет равен 1, 2.

Мощность теплового насоса можно подбирать исходя из моновалентного или бивалентного режима его работы. В первом случае предполагается, что тепловой насос используется как единственный генератор тепловой энергии.

Следует принимать во внимание: даже в нашей стране продолжительность периодов с низкой температурой воздуха составляет небольшую часть отопительного сезона. Например, для Центрального региона России время, когда температура опускается ниже –10 °С, составляет всего 900 ч (38 сут), в то время, как продолжительность самого сезона – 5112 ч, а средняя температура января составляет примерно –10 °С. Поэтому наиболее целесообразным является работа теплового насоса в бивалентном режиме, предусматривающая включение дополнительного источника в периоды, когда температура воздуха опускается ниже определенной: –5 °С – в южных регионах России, –10 °С – в центральных. Это позволяет снизить стоимость теплового насоса и, особенно, работ по монтажу первичного контура (прокладка траншей, бурение скважин и т.п.), которая сильно увеличивается при возрастании мощности установки.

В условиях Центрального региона России для примерной оценки при подборе теплового насоса, работающего в бивалентном режиме, можно ориентироваться на соотношение 70/30: 70 % потребности в тепле покрывают тепловым насосом, а оставшиеся 30 – электрическим или другим источником тепловой энергии. В южных регионах можно руководствоваться соотношением мощности теплового насоса и дополнительного источника тепла, часто используемым в Западной Европе: 50 на 50.

Для коттеджа площадью 200 м2 на 4 человек при тепловых потерях 70 Вт/м2 (при расчете на –28 °С наружной температуры воздуха) потребность в тепле будет 14 кВт. К этой величине следует добавить 700 Вт на приготовление санитарной горячей воды. В результате необходимая мощность теплового насоса составит 14, 7 кВт.

При возможности временного отключения электричества нужно увеличить это число на соответствующий коэффициент. Допустим, время ежедневного отключения – 4 ч, тогда мощность теплового насоса должна быть 17, 6 кВт (повышающий коэффициент – 1, 2). В случае моновалентного режима можно выбрать тепловой насос типа «грунт–вода» мощностью 17, 1 кВт, потребляющий 6, 0 кВт электроэнергии.

Для бивалентной системы с дополнительным электрическим нагревателем и температурой подачи холодной воды 10 °С для необходимости получения горячей воды и коэффициента запаса, мощность теплового насоса должна быть 11, 4 Вт, а электрического котла – 6, 2 кВт (в сумме – 17, 6). Потребляемая системой пиковая электрическая мощность составит 9, 7 кВт.

Примерная стоимость потребляемого за сезон электричества, при работе теплового насоса в моновалентном режиме составит 500 руб., а в бивалентном при температуре ниже (-10°С) – 12 500. Стоимость энергоносителя при использовании только соответствующего котла составит: электричества – 42 000, дизельного топлива – 25 000, а газа – около 8000 руб. (при наличии подведенной трубы и существующих в России низких ценах на газ). В настоящее время для наших условий по экономичности работы, тепловой насос может быть сравним только с газовым котлом новых серий, а по эксплуатационным затратам, долговечности, безопасности (не требуется помещение котельной) и экологической чистоте превосходит все другие виды производства тепловой энергии.

Отметим, что при установке тепловых насосов в первую очередь следует позаботиться об утеплении здания и установке стеклопакетов с низкой теплопроводностью, что снизить тепловые потери здания, а значит и стоимость работ и оборудования.

 

Приложение 7

Мировой уровень использования низкопотенциальной тепловой энергии земли посредством тепловых насосов
Страна	Установленная мощность оборудования, МВт	Произведенная энергия, ТДж/год
Австралия	24, 0	57, 6
Австрия	228, 0	1094, 0
Болгария	13, 3	162, 0
Великобритания	0, 6	2, 7
Германия	344, 0	1149, 0
Греция	0, 4	3, 1
Дания	3, 0	20, 8
Исландия	4, 0	20, 0
Италия	1, 2	6, 4
Канада	360, 0	891, 0
Литва	21, 0	598, 8
Нидерланды	10, 8	57, 4
Норвегия	6, 0	31, 9
Польша	26, 2	108, 3
Россия	1, 2	11, 5
Словакия	1, 4	12, 1
Словения	2, 6	46, 8
США	4 800, 0	12 000, 0
Финляндия	80, 5	484, 0
Франция	48, 0	255, 0
Чехия	8, 0	38, 2
Швейцария	300, 0	1 962, 0
Швеция	377, 0	4 128, 0
Япония	3, 9	64, 0
Всего:	6 675, 4	23 268, 9

 

Вывод

Из всего этого вывод последует таков: Тепловые насосы переносят, а не вырабатывают энергию. Этим и обусловлена их существенные преимущества по сравнению с традиционными источниками тепла. Тепловые насосы представляют собой устройство для перевода низкотемпературной энергии в высокотемпературную энергию и обратно.

Передача тепла производится рабочим телом-хладагентом (фреоном) также, как в обычном холодильнике. Электроэнергия, потребляемая тепловым насосом, тратится лишь на перемещение хладагента по системе с помощью компрессора.

Тепловые насосы (ТН) работают, перемещая тепловую энергию, в отличие от печи в которой происходит преобразование химической энергии в процессе горения. Принцип работы теплового насоса основывается на термодинамическом цикле Карно. По такому же принципу работают холодильники и кондиционеры (воздушные тепловые насосы). Охлаждение и обогрев в тепловом насосе обеспечивается компрессионным циклом, т.е. непрерывной циркуляцией, кипением и конденсацией хладагента в замкнутой системе. Кипение хладагента происходит при низком давлении и низкой температуре, а конденсация - при высоком давлении и температуре. В испарителе происходит отбор низкопотенциальной энергии у источника с относительно низкой температурой, а в конденсаторе - выделение концентрированной энергии в систему распределения тепла здания.

 

 

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Владимирский государственный университет
имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

 

Кафедра Теплогазоснабжения, вентиляции и гидравлики

 

 

Реферат

по дисциплине

«Нетрадиционные источники энергии»

на тему

«Низкопатенциальное тепло земли»

 

 

Выполнил:

ст. гр. ТГВ-108

Прядехин С.В.

Принял:

Тарасенко В.И..

 

 

Владимир 2012

Оглавление:

 

Введение………………………………………………….……………………………..……..……2

1. История технологии.……………………………………………………………………….....…3

2. Грунт как источник низкопотенциальной тепловой энергии…………………………………3-5

3. Работа теплового насоса.…………………………………………………..……………….....5-6

4. Условный КПД тепловых насосов. …………………………………………..………………6-7

5. Виды систем использования низкопотенциальной тепловой энергии земли.…………...7-12

6. «Устойчивость» систем использования низкопотенциального тепла земли.…………..12-14

7 Область применения тепловых насосов………………………………………………...……..15

8. Преимущество тепловых насосов.……………………………………………..………….….16

9. Ограничения технологии ………………………………………………………………..…….16

10. Техническое обслуживание ………………………………………………………………….17

11. Пиковый электроподогрев.…………………………………………………………….…….17

Приложение 1 Термодинамический цикл теплового насоса …………………….……………18

Приложение 2 ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ СИСТЕМЫ СБОРА НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОГО ТЕПЛА ГРУНТА (ССНТГ)……………………….……….18-19

Приложение 3 МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ПОДЪЕМА ПОВЕРХНОСТИ ГРУНТА ПРИ ОБРАЗОВАНИИ В ГРУНТОВОМ МАССИВЕ ОБЛАСТЕЙ МЕРЗЛОГО ГРУНТА…….….19

Приложение 4 О ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВАХ ГРУНТОВ………………………19-21

Приложение 5 ПЕРСПЕКТИВЫ ВНЕДРЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ В СИСТЕМУ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ МОСКВЫ…………………………………………………………..…22-23

Приложение 6 Расчет горизонтального коллектора теплового насоса……………..………24-26.

Приложение 7 Мировой уровень использования низкопотенциальной
тепловой энергии земли посредством тепловых насосов …………………………………….…27

Список литературы……………………………………………………………..…………………...28

 

Список литературы:

 

1. Rybach L. Status and prospects of geothermal heat pumps (GHP) in Europe and worldwide; sustainability aspects of GHPs. International course of geothermal heat pumps, 2002.

2. Васильев Г. П., Крундышев Н. С. Энергоэффективная сельская школа в Ярославской области // АВОК. 2002. № 5.

3. Sanner B. Ground Heat Sources for Heat Pumps (classification, characteristics, advantages). 2002.

4. ORKUSTOFNUN Working Group, Iceland (2001): Sustainable production of geothermal energy - suggested definition. IGA News no. 43. January-March, 2001. 1-2.

5. Rybach L., Sanner B. Ground-source heat pump systems - the European experience. GeoHeatCenter Bull. 21/1, 2000.

6. Васильев Г.П. Энергоэффективные здания с теплонасосными системами теплоснабжения // ЖКХ. 2002. №12.

7. Руководство по применению тепловых насосов с использованием вторичных энергетических ресурсов и нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Москомархитектура. ГУП " НИАЦ", 2001.

8. Энергоэффективный жилой дом в Москве // АВОК. 1999. № 4.

9. Васильев Г. П. Энергоэффективный экспериментальный жилой дом в микрорайоне Никулино-2 // АВОК. 2002. № 4.

10. См. книгу В. Н. Богословского, А. Н. Сканави «Отопление» (М., 1991), а также СНиП 41-01-2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование».

11. Г. П. Васильев. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев земли / Дисс. на соискание ученой степени доктора технических наук. – М.: МГСУ, 2006.

 

⇐ Предыдущая1234567

Поделиться: