Výpočet tepelných čerpadiel: Tepelné čerpadlá a systémy na úsporu energie: GK Informtech

Typy konštrukcií tepelných čerpadiel

Typ tepelného čerpadla je obvykle označený vetou označujúcou zdrojové médium a nosič tepla vykurovacieho systému.
Existujú nasledujúce odrody:

• ТН „vzduch - vzduch“;
• ТН „vzduch - voda“;
• TN "pôda - voda";
• TH „voda - voda“.

Úplne prvou možnosťou je konvenčný split systém pracujúci v režime kúrenia. Výparník je namontovaný vonku a vo vnútri domu je jednotka s kondenzátorom. Posledný z nich je fúkaný ventilátorom, vďaka ktorému sa do miestnosti dodáva teplá vzduchová hmota.

Ak je takýto systém vybavený špeciálnym výmenníkom tepla s tryskami, získa sa typ HP „vzduch-voda“. Je pripojený k systému ohrevu vody.

Výparník HP typu „vzduch-vzduch“ alebo „vzduch-voda“ nie je možné umiestniť nie vonku, ale do potrubia na odsávanie (musí byť vynútené). V takom prípade sa účinnosť tepelného čerpadla niekoľkonásobne zvýši.

Tepelné čerpadlá typu „voda-voda“ a „pôda-voda“ používajú takzvaný externý výmenník tepla alebo, ako sa tiež nazýva, kolektor na odvod tepla.

Schéma tepelného čerpadla

Jedná sa o rúrku s dlhými slučkami, zvyčajne plastovú, cez ktorú cirkuluje kvapalné médium okolo výparníka. Oba typy tepelných čerpadiel predstavujú rovnaké zariadenie: v jednom prípade je kolektor ponorený na dne povrchovej nádrže a v druhom - do zeme. Kondenzátor takéhoto tepelného čerpadla je umiestnený vo výmenníku tepla pripojenom k ​​systému ohrevu teplej vody.

Pripojenie tepelných čerpadiel podľa schémy „voda - voda“ je oveľa menej náročné ako „pôda - voda“, pretože nie je potrebné vykonávať zemné práce. Na dne nádrže je potrubie uložené vo forme špirály. Samozrejme, pre túto schému je vhodný iba zásobník, ktorý v zime nezmrzne na dno.

Klasifikácia tepelných čerpadiel podľa charakteristík média

Klasifikácia tepelných čerpadiel je dosť objemná. Zariadenia sú rozdelené podľa typu pracovnej kvapaliny, princípu zmeny jej fyzikálneho stavu, použitia konverzných zariadení, povahy energetického nosiča potrebného na činnosť. Ak vezmeme do úvahy, že na trhu existujú modely s rôznymi kombináciami klasifikačných kritérií, je zrejmé, že je dosť ťažké vymenovať všetko. Môžete však zvážiť základné princípy rozdelenia skupín.

Inštalácia, konštrukcia a konečné vlastnosti tepelného čerpadla závisia od parametrov zdroja tepla a prijímacieho média. Dnes sa ponúka niekoľko typov inžinierskych riešení.

Vzduch-vzduch

Najbežnejšie zariadenia sú tepelné čerpadlá vzduch-vzduch. Sú dostatočne kompaktné a jednoduché. Klimatizácie pre domácnosť s režimom kúrenia pracujú na mechanikách tohto typu. Princíp činnosti je jednoduchý:

• vonkajší výmenník tepla je ochladený pod teplotu vzduchu a odvádza teplo;
• po stlačení prichádzajúceho freónu do chladiča sa jeho teplota veľmi zvyšuje;
• ventilátor vo vnútri miestnosti, fúkajúci na výmenník tepla, ohrieva miestnosť.

Extrakcia energie z prostredia sa nemusí nevyhnutne uskutočňovať pomocou externého výmenníka tepla. Za týmto účelom je možné do jednotky umiestnenej v miestnosti vháňať vzduch. Takto fungujú niektoré kanálové systémy.

Ak je freón stlačený a expandovaný v klimatizácii, potom sa vo vírivých tepelných čerpadlách používa jednoduchý vzduch. Mechanika práce je podobná: pred vstupom do vnútorného výmenníka tepla je plyn stlačený a po vydaní energie je intenzívnym prúdením vháňaný do komory na extrakciu tepla.

Vírivé tepelné čerpadlo je veľká a masívna inštalácia, ktorá funguje efektívne iba pri vysokej teplote okolia. Preto sa takéto systémy inštalujú v priemyselných dielňach, využívajú ako zdroj tepla výfukové plyny z pecí alebo horúci vzduch z hlavného klimatizačného systému.

Voda-voda

Tepelné čerpadlo voda-voda pracuje na rovnakom princípe ako iné inštalácie. Líšia sa iba prenosové médiá. Zariadenie je vybavené ponornými sondami, aby sa aj v tuhej zime dostali k horizontu podzemnej vody s pozitívnou teplotou.

V závislosti od potreby vykurovania môžu byť systémy tepelných čerpadiel voda-voda úplne rozdielnych veľkostí. Napríklad počnúc niekoľkými studňami vyvŕtanými okolo súkromného domu, končiac veľkoplošnými výmenníkmi tepla umiestnenými priamo vo vodonosnej vrstve, ktoré sa ukladajú počas fázy výstavby budovy.

Tepelné čerpadlá voda-voda sa vyznačujú vyššou produktivitou a efektívnym výstupným výkonom... Dôvodom je zvýšená tepelná kapacita kvapaliny. Vrstva vody, v ktorej je umiestnená sonda alebo výmenník tepla, rýchlo uvoľňuje energiu a vďaka svojmu obrovskému objemu mierne znižuje svoje vlastnosti, čo prispieva k stabilnej prevádzke systému. Zariadenie voda-voda sa tiež vyznačuje zvýšenou účinnosťou.

Poradenstvo! Za určitých podmienok sa okruh voda-voda zaobíde bez medziľahlých uzlov vo forme zásobníkov pre vykurovaciu sieť. Pri správnom posúdení existujúcich klimatických podmienok a výbere výkonu zariadenia je v dome nainštalovaný ohrievač vody s tepelným čerpadlom a je zorganizovaný efektívny systém podlahového vykurovania.

Voda-vzduch, vzduch-voda

Kombinované systémy musia byť vybrané obzvlášť opatrne. Zároveň sa starostlivo hodnotia existujúce klimatické podmienky. Napríklad cyklus tepelného čerpadla voda-vzduch má dobrú účinnosť vykurovania v oblastiach so silným mrazom. Systém vzduch-voda v spojení s teplou podlahou a akumulačným kotlom na sekundárne vykurovanie je schopný preukázať maximálnu úsporu v oblastiach, kde teplota vzduchu zriedka klesne pod -5 ... -10 stupňov.

Tavenina (soľanka) -voda

Tepelné čerpadlo tejto triedy je akýmsi univerzálnym. Dá sa použiť doslova všade. Indikátory jeho užitočného tepelného výkonu sú stále a stabilné. Princíp činnosti zariadenia soľanka-voda je založený na získavaní tepla predovšetkým z pôdy, ktorá má normálne hodnoty vlhkosti alebo je podmáčaná.

Inštalácia systému je jednoduchá: na umiestnenie externých výmenníkov tepla stačí ich zakopať do určitej hĺbky. Môžete si tiež zvoliť jednu z možností vybavenia plynnou alebo kvapalnou pracovnou kvapalinou.

Výpočet tepelného čerpadla triedy soľanka-voda je založený na úrovni potreby energie na vykurovanie. Existuje množstvo metód na jeho kvantitatívne stanovenie. Môžete urobiť najpresnejší výpočet, ktorý zohľadní materiál stien domu, konštrukciu okien, charakter pôdy, váženú priemernú teplotu vzduchu a oveľa viac.

Výrobcovia systémov soľanka-voda ponúkajú rôzne možnosti pre modely, ktoré sa líšia spotrebou energie konverznej jednotky, dizajnom a rozmermi externých výmenníkov tepla a parametrami výstupného obvodu. Nie je ťažké zvoliť optimálne tepelné čerpadlo podľa vopred zostaveného zoznamu požiadaviek.

Je čas zásadne študovať zahraničné skúsenosti

Už takmer každý vie o tepelných čerpadlách schopných získavať teplo z prostredia na vykurovanie budov, a ak nie je to tak dávno, čo potenciálny zákazník zvyčajne položí zmätenú otázku „ako je to možné?“, Teraz sa ponúka otázka „ako je to správne?“ ? “.

Odpoveď na túto otázku nie je ľahká.

Pri hľadaní odpovedí na početné otázky, ktoré nevyhnutne vyvstávajú pri pokusoch o návrh vykurovacích systémov s tepelnými čerpadlami, je vhodné obrátiť sa na skúsenosti odborníkov v tých krajinách, kde sa tepelné čerpadlá na pozemných výmenníkoch tepla používajú už dlho.

Návšteva * americkej výstavy AHR EXPO-2008, ktorá sa uskutočnila predovšetkým za účelom získania informácií o metódach inžinierskych výpočtov pre zemné výmenníky tepla, nepriniesla priame výsledky v tomto smere, ale na výstave ASHRAE bola predaná kniha niektoré ustanovenia, z ktorých vychádzali tieto publikácie.

Hneď je potrebné povedať, že presun americkej metodiky na domácu pôdu nie je ľahká úloha. Pre Američanov to nie je to isté ako v Európe. Iba oni merajú čas v rovnakých jednotkách ako my. Všetky ostatné merné jednotky sú čisto americké alebo skôr britské. Američania mali obzvlášť smolu na tepelný tok, ktorý sa dá merať v britských tepelných jednotkách za jednotku času, a v tonách chladenia, ktoré boli pravdepodobne vynájdené v Amerike.

Hlavným problémom však nebola technická nepríjemnosť prepočtu merných jednotiek prijatých v USA, na ktorú si človek môže časom zvyknúť, ale absencia jasného metodického základu pre konštrukciu výpočtu v spomínanej knihe algoritmus. Príliš veľa priestoru sa venuje rutinným a známym metódam výpočtu, zatiaľ čo niektoré dôležité ustanovenia zostávajú úplne nezverejnené.

Najmä také fyzicky súvisiace počiatočné údaje pre výpočet zvislých zemných tepelných výmenníkov, ako je teplota kvapaliny cirkulujúcej vo výmenníku tepla a prepočítavací faktor tepelného čerpadla, nie je možné stanoviť ľubovoľne, a skôr, ako sa pristúpi k výpočtom súvisiacim s nestálym teplom prenos v zemi, je potrebné určiť vzťahy spájajúce tieto parametre.

Kritériom účinnosti tepelného čerpadla je konverzný koeficient α, ktorého hodnota je určená pomerom jeho tepelného výkonu k výkonu elektrického pohonu kompresora. Táto hodnota je funkciou bodov varu tu vo výparníku a tk kondenzácie a vo vzťahu k tepelným čerpadlám voda-voda môžeme hovoriť o teplotách kvapaliny na výstupe z výparníka t2I a na výstupe z kondenzátor t2K:

? =? (t2И, t2K). (jeden)

Analýza katalógových charakteristík sériových chladiacich strojov a tepelných čerpadiel voda-voda umožnila zobraziť túto funkciu vo forme diagramu (obr. 1).

Pomocou diagramu je ľahké určiť parametre tepelného čerpadla v počiatočných fázach projektovania. Je napríklad zrejmé, že ak je vykurovací systém pripojený k tepelnému čerpadlu navrhnutý na napájanie vykurovacieho média s teplotou na výstupe 50 ° C, potom bude maximálny možný prepočítavací faktor tepelného čerpadla asi 3,5. Teplota glykolu na výstupe z výparníka by zároveň nemala byť nižšia ako + 3 ° С, čo znamená, že bude potrebný drahý zemný výmenník tepla.

Zároveň, ak je dom vykurovaný pomocou teplej podlahy, z kondenzátora tepelného čerpadla vstúpi do vykurovacieho systému tepelný nosič s teplotou 35 ° C. V takom prípade bude tepelné čerpadlo schopné pracovať efektívnejšie, napríklad s konverzným faktorom 4,3, ak je teplota glykolu ochladeného vo výparníku asi –2 ° C.

Pomocou tabuliek programu Excel môžete vyjadriť funkciu (1) ako rovnicu:

? = 0,1779 • (41,5 + t2I - 0,015t2I • t2K - 0,437 • t2K (2)

Ak je pri požadovanom konverznom faktore a danej hodnote teploty chladiacej kvapaliny vo vykurovacom systéme poháňanom tepelným čerpadlom potrebné určiť teplotu kvapaliny ochladenej vo výparníku, môže byť znázornená rovnica (2) ako:

(3)

Môžete zvoliť teplotu chladiacej kvapaliny vo vykurovacom systéme pri daných hodnotách konverzného koeficientu tepelného čerpadla a teplotu kvapaliny na výstupe z výparníka pomocou vzorca:

(4)

Vo vzorcoch (2) ... (4) sú teploty vyjadrené v stupňoch Celzia.

Po identifikácii týchto závislostí teraz môžeme prejsť priamo na americkú skúsenosť.

Metóda výpočtu tepelných čerpadiel

Proces výberu a výpočtu tepelného čerpadla je samozrejme technicky veľmi komplikovaná operácia a závisí od jednotlivých charakteristík objektu, ale možno ho zhruba znížiť na nasledujúce etapy:

Stanovujú sa tepelné straty obvodovým plášťom budovy (steny, stropy, okná, dvere). To je možné dosiahnuť použitím nasledujúceho pomeru:

Qok = S * (tvn - tnar) * (1 + Σ β) * n / Rt (W) kde

tnar - teplota vonkajšieho vzduchu (° С);

tvn - teplota vnútorného vzduchu (° С);

S je celková plocha všetkých obklopujúcich štruktúr (m2);

n - koeficient označujúci vplyv prostredia na vlastnosti objektu. Pre miestnosti v priamom kontakte s vonkajším prostredím cez stropy n = 1; pre objekty s podkrovím n = 0,9; ak je objekt umiestnený nad suterénom n = 0,75;

β je koeficient dodatočných tepelných strát, ktorý závisí od typu konštrukcie a jej geografického umiestnenia β sa môže pohybovať od 0,05 do 0,27;

RT - tepelný odpor, je určený nasledujúcim výrazom:

Rt = 1 / αint + Σ (δі / λі) + 1 / αout (m2 * ° С / W), kde:

δі / λі je vypočítaný ukazovateľ tepelnej vodivosti materiálov používaných v stavbách.

αout je koeficient tepelného rozptýlenia vonkajších povrchov obvodových konštrukcií (W / m2 * оС);

αin - koeficient tepelnej absorpcie vnútorných povrchov obvodových konštrukcií (W / m2 * оС);

- Celkové tepelné straty konštrukcie sa vypočítajú podľa vzorca:

Qt.pot = Qok + Qi - Qbp, kde:

Qi - spotreba energie na ohrev vzduchu vstupujúceho do miestnosti prirodzenými únikmi;

Qbp ​​- uvoľňovanie tepla v dôsledku fungovania domácich spotrebičov a ľudských aktivít.

2. Na základe získaných údajov sa počíta ročná spotreba tepelnej energie pre každý jednotlivý objekt:

Qyear = 24 * 0,63 * Qt. pot. * ((d * (tvn - tout.) / (tvn - tout.)) (kW / hod. za rok.) kde:

tвн - odporúčaná teplota vnútorného vzduchu;

tnar - teplota vonkajšieho vzduchu;

tout.av - aritmetický priemer hodnoty vonkajšieho vzduchu za celú vykurovaciu sezónu;

d je počet dní vykurovacieho obdobia.

3. Pre úplnú analýzu budete tiež musieť vypočítať úroveň tepelného výkonu potrebného na ohrev vody:

Qgv = V * 17 (kW / hod za rok.) Kde:

V je objem denného ohrevu vody do 50 ° С.

Potom bude celková spotreba tepelnej energie určená vzorcom:

Q = Qgv + Qyear (kW / hodina ročne).

S prihliadnutím na získané údaje nebude ťažké zvoliť najvhodnejšie tepelné čerpadlo na vykurovanie a dodávku teplej vody. Vypočítaný výkon sa navyše určí ako. Qtn = 1,1 * Q, kde:

Qtn = 1,1 * Q, kde:

1.1 je korekčný faktor označujúci možnosť zvýšenia zaťaženia tepelného čerpadla počas obdobia kritických teplôt.

Po výpočte tepelných čerpadiel môžete zvoliť najvhodnejšie tepelné čerpadlo schopné poskytnúť požadované parametre mikroklímy v miestnostiach s akýmikoľvek technickými vlastnosťami. A vzhľadom na možnosť integrácie tohto systému s klimatizačnou jednotkou možno teplú podlahu poznamenať nielen pre jej funkčnosť, ale aj pre vysoké estetické náklady.

Ako si vyrobiť tepelné čerpadlo pre domácich majstrov?

Náklady na tepelné čerpadlo sú pomerne vysoké, aj keď neberiete do úvahy platbu za služby špecialistu, ktorý ho nainštaluje. Nie každý má dostatočná finančná kapacitaokamžite zaplatiť za inštaláciu takéhoto zariadenia. V tejto súvislosti si mnohí začínajú klásť otázku, je možné vyrobiť tepelné čerpadlo vlastnými rukami zo šrotu? To je celkom možné. Počas práce navyše môžete použiť nie nové, ale použité náhradné diely.
Takže ak sa rozhodnete vytvoriť tepelné čerpadlo vlastnými rukami, potom pred začatím práce musíte:

• skontrolujte stav elektroinštalácie vo vašom dome;
• uistite sa, že elektromer funguje, a skontrolujte, či je výkon tohto zariadenia minimálne 40 ampérov.

Prvým krokom je kúpiť kompresor... Môžete si ich kúpiť v špecializovaných spoločnostiach alebo sa obrátiť na opravovňu chladiacich zariadení. Tam si môžete kúpiť kompresor z klimatizácie. Je celkom vhodný na vytvorenie tepelného čerpadla. Ďalej musí byť pripevnený k stene pomocou konzol L-300.

Teraz môžete prejsť do ďalšej fázy - výroby kondenzátora. Aby ste to dosiahli, musíte nájsť nerezovú nádrž na vodu s objemom až 120 litrov. Je rozrezaný na polovicu a v jeho vnútri je nainštalovaná cievka. Vyrobiť si môžete sami pomocou medenej rúrky z chladničky. Prípadne ho môžete vytvoriť z medenej rúry s malým priemerom.

Aby nedošlo k problémom s výrobou špirály, je potrebné vziať si bežnú plynovú fľašu a okolo neho naviňte medený drôt... Pri tejto práci je potrebné dbať na vzdialenosť medzi zákrutami, ktorá by mala byť rovnaká. Na zafixovanie tuby v tejto polohe by ste mali použiť hliníkový perforovaný roh, ktorý slúži na ochranu rohov tmelu. Pomocou špirál by mali byť rúrky umiestnené tak, aby špirály drôtu boli oproti otvorom v rohu. Tým sa zabezpečí rovnaký sklon zákrut a okrem toho bude štruktúra dosť silná.

Keď je nainštalovaná cievka, obe polovice pripravenej nádrže sú spojené zváraním. V takom prípade je potrebné dávať pozor na zváranie závitových spojov.

Na vytvorenie výparníka môžete použiť plastové nádoby na vodu s celkovým objemom 60 - 80 litrov. Cievka je v ňom namontovaná z rúry s priemerom ¾ ". Na prívod a odvod vody je možné použiť bežné vodovodné potrubie.

Na stenu pomocou konzoly L požadovanej veľkosti upevnenie výparníka.

Po dokončení všetkých prác zostáva pozvať špecialistu na chladenie. Zostaví systém, zvarí medené rúrky a načerpá freón.

Typy tepelných čerpadiel

Tepelné čerpadlá sú rozdelené do troch hlavných typov podľa zdroja nízkej kvality energie:

• Vzduch.
• Priming.
• Voda - Zdrojom môžu byť útvary podzemnej a povrchovej vody.

Pre systémy na ohrev vody, ktoré sú bežnejšie, sa používajú nasledujúce typy tepelných čerpadiel:

Vzduch-voda je tepelné čerpadlo vzduchového typu, ktoré ohrieva budovu nasávaním vzduchu z vonkajšej strany cez externú jednotku. Funguje na princípe klimatizácie, iba naopak, premieňa energiu vzduchu na teplo. Takéto tepelné čerpadlo nevyžaduje veľké náklady na inštaláciu, nie je potrebné naň vyčleniť pozemok a navyše vyvŕtať studňu. Avšak prevádzková účinnosť pri nízkych teplotách (-25 ° C) klesá a je potrebný ďalší zdroj tepelnej energie.

Zariadenie „podzemná voda“ sa vzťahuje na geotermálne a vyrába teplo zo zeme pomocou kolektora, uloženého do hĺbky pod bodom mrazu pôdy. Existuje tiež závislosť od oblasti lokality a krajiny, ak je kolektor umiestnený vodorovne. Pre vertikálnu polohu budete musieť vyvŕtať studňu.

Položka „voda-voda“ sa inštaluje tam, kde je v blízkosti vodná plocha alebo podzemná voda. V prvom prípade je nádrž položená na dne nádrže, v druhej je vyvŕtaná studňa alebo niekoľko, ak to plocha lokality umožňuje.Niekedy je hĺbka podzemnej vody príliš hlboká, takže náklady na inštaláciu takéhoto tepelného čerpadla môžu byť veľmi vysoké.

Každý typ tepelného čerpadla má svoje vlastné výhody a nevýhody, ak je budova ďaleko od nádrže alebo je príliš hlboká podzemná voda, potom funkcia „voda-voda“ nebude fungovať. „Vzduch-voda“ bude relevantný iba v relatívne teplých oblastiach, kde teplota vzduchu v chladnom období neklesne pod -25 ° C.

DIY inštalácia tepelného čerpadla

Teraz, keď je hlavná časť systému pripravená, zostáva ho pripojiť k zariadeniam na príjem a distribúciu tepla. Túto prácu môžete vykonať sami. To nie je ťažké. Proces inštalácie zariadenia na príjem tepla môže byť odlišný a do značnej miery závisí od typu čerpadla, ktoré sa použije ako súčasť vykurovacieho systému.

Vertikálne čerpadlo typu podzemná voda

Aj tu budú potrebné určité náklady, pretože pri inštalácii takého čerpadla sa jednoducho nezaobídete bez použitia vrtnej súpravy. Všetky práce začínajú vytvorením studne, ktorej hĺbka by mala byť 50 - 150 metrov... Ďalej sa geotermálna sonda spustí dole, po ktorej sa pripojí k čerpadlu.

Horizontálna pôdna voda typu čerpadla

Keď je takéto čerpadlo nainštalované, je potrebné použiť rozdeľovač tvorený potrubným systémom. Mal by byť umiestnený pod úrovňou zamrznutia pôdy. Presnosť a hĺbka umiestnenia kolektorov do značnej miery závisia od klimatického pásma. Najskôr sa odstráni vrstva pôdy. Potom sa položí potrubie a potom sa zásyp naplní zeminou.
Môžete použiť iný spôsob - kladenie jednotlivých potrubí na vodu vo vopred vykopanom výkope. Keď ste sa rozhodli ho použiť, musíte najskôr vykopať zákopy, v ktorých by hĺbka mala byť pod úrovňou mrazu.

Metóda výpočtu výkonu tepelného čerpadla

Okrem určenia optimálneho zdroja energie bude potrebné vypočítať výkon tepelného čerpadla potrebný na vykurovanie. Závisí to od množstva tepelných strát v budove. Vypočítajme výkon tepelného čerpadla na vykurovanie domu na konkrétnom príklade.

Použijeme na to vzorec Q = k * V * ∆T, kde

• Q je tepelná strata (kcal / hod). 1 kWh = 860 kcal / h;
• V je objem domu v m3 (plocha sa vynásobí výškou stropov);
• ∆Т je pomer minimálnych teplôt vonku a vnútri priestorov v najchladnejšom období roka, ° С. Odčítajte vonkajšok od vnútorného tº;
• k je zovšeobecnený koeficient prestupu tepla v budove. Pre murovanú budovu s murivom v dvoch vrstvách k = 1; pre dobre izolovanú budovu k = 0,6.

Výpočet výkonu tepelného čerpadla na vykurovanie tehlového domu s rozlohou 100 metrov štvorcových a výšky stropu 2,5 m bude teda s rozdielom ttº od -30 ° von do +20 ° dovnútra nasledovný:

Q = (100x2,5) x (20- (-30)) x 1 = 12500 kcal / hod

12500/860 = 14,53 kW. To znamená, že pre štandardný tehlový dom s rozlohou 100 m bude potrebné zariadenie s výkonom 14 kilowattov.

Spotrebiteľ akceptuje výber typu a výkonu tepelného čerpadla na základe mnohých podmienok:

• geografické rysy oblasti (blízkosť k vodným útvarom, prítomnosť podzemných vôd, voľná plocha pre kolektor);
• vlastnosti podnebia (teplota);
• typ a vnútorný objem miestnosti;
• finančné príležitosti.

Ak vezmeme do úvahy všetky vyššie uvedené aspekty, budete môcť urobiť najlepší výber vybavenia. Pre efektívnejší a správny výber tepelného čerpadla je lepšie kontaktovať špecialistov, ktorí budú schopní vykonať podrobnejšie výpočty a poskytnúť ekonomickú uskutočniteľnosť inštalácie zariadenia.

Tepelné čerpadlá sa už dlho a veľmi úspešne používajú v domácich a priemyselných chladničkách a klimatizáciách.

Dnes sa tieto zariadenia začali používať na vykonávanie funkcie opačného charakteru - vykurovania obydlia počas chladného počasia.

Poďme sa pozrieť na to, ako sa tepelné čerpadlá používajú na vykurovanie súkromných domov a čo potrebujete vedieť, aby ste mohli správne vypočítať všetky jeho komponenty.

Čo je tepelné čerpadlo, jeho rozsah

Technická definícia tepelného čerpadla je zariadenie na prenos energie z jednej oblasti do druhej pri zvyšovaní efektívnosti jeho práce. Tento mechanik nie je ťažké ilustrovať. Predstavme si vedro studenej vody a pohár horúcej vody. Rovnaké množstvo energie sa vynakladá na ich ohrev od určitej tepelnej stopy. Účinnosť jeho aplikácie je však iná. Ak súčasne znížite teplotu vedra s vodou o 1 stupeň, získaná tepelná energia môže priviesť kvapalinu v pohári takmer do varu.

Práve podľa tejto mechaniky pracuje tepelné čerpadlo, pomocou ktorého môžete vykurovať bazén alebo úplne zabezpečiť vykurovanie vidieckeho domu. Inštalácia prenáša teplo z jednej oblasti do druhej, zvyčajne z vonkajšej strany miestnosti dovnútra. Existuje mnoho aplikácií pre túto techniku.

1. S určitým výkonom tepelného čerpadla sa vykurovanie domu stáva lacným a efektívnym.
2. Je ľahké pripraviť TÚV pomocou tepelného čerpadla pomocou dohrievacích kotlov.
3. S určitým úsilím a správnym dizajnom je možné vytvoriť úplne autonómny vykurovací systém napájaný solárnymi panelmi.
4. Väčšina modelov tepelných čerpadiel je prijateľnou voľbou pre podlahové kúrenie používané ako vykurovací okruh.

Pri výbere a zakúpení vhodného systému musíte v prvom rade správne nastaviť úlohu, ktorej čelíte. A až potom predložiť požiadavky na výkon a vyhodnotiť prijateľnosť jednotlivých druhov tepelných kotlov pre splnenie všetkých potrieb.

Príklad výpočtu tepelného čerpadla

Vyberieme tepelné čerpadlo pre vykurovací systém jednopodlažného domu s celkovou plochou 70 štvorcových. m so štandardnou výškou stropu (2,5 m), racionálnou architektúrou a tepelnou izoláciou obvodových konštrukcií, ktoré zodpovedajú požiadavkám moderných stavebných predpisov. Na vykurovanie 1. štvrťrok. m takéhoto objektu, podľa všeobecne prijatých noriem je potrebné minúť 100 W tepla. Na vykurovanie celého domu teda budete potrebovať:

Q = 70 x 100 = 7000 W = 7 kW tepelnej energie.

Vyberáme tepelné čerpadlo značky „TeploDarom“ (model L-024-WLC) s tepelným výkonom W = 7,7 kW. Kompresor jednotky spotrebúva N = 2,5 kW elektrickej energie.

Výpočet nádrže

Pôda na mieste určenom na stavbu kolektora je hlina, hladina podzemnej vody je vysoká (berieme výhrevnosť p = 35 W / m).

Výkon kolektora je určený vzorcom:

Qk = W - N = 7,7 - 2,5 = 5,2 kW.

L = 5200/35 = 148,5 m (približne).

Na základe skutočnosti, že je iracionálne položiť okruh s dĺžkou viac ako 100 m z dôvodu nadmerne vysokého hydraulického odporu, prijímame nasledovné: rozdeľovač tepelného čerpadla bude pozostávať z dvoch okruhov - 100 m a 50 m.

Plocha lokality, ktorú bude potrebné prideliť zberateľovi, je určená vzorcom:

S = L x A,

Kde A je krok medzi susednými časťami obrysu. Prijímame: A = 0,8 m.

Potom S = 150 x 0,8 = 120 štvorcových. m.

Účinnosť a COP

Jasne to ukazuje, že ¾ energie získavame z voľných zdrojov. (Klikni na zväčšenie)

Najskôr definujme pojmy:

• Účinnosť - koeficient účinnosti, t.j. koľko užitočnej energie sa získa ako percento energie vynaloženej na prevádzku systému;
• COP - koeficient výkonu.

Na reklamné účely sa často používa ukazovateľ efektívnosti: „Účinnosť našej pumpy je 500%!“ Zdá sa, že sa hovorí pravda - za 1 kW spotrebovanej energie (na plnú prevádzku všetkých systémov a jednotiek) vyrobili 5 kW tepelnej energie.

Pamätajte však, že účinnosť nepresahuje 100% (tento ukazovateľ sa počíta pre uzavreté systémy), takže by bolo logickejšie použiť indikátor COP (používaný na výpočet otvorených systémov), ktorý zobrazuje konverzný faktor použitej energie na užitočnú energie.

COP sa zvyčajne meria v číslach od 1 do 7. Čím je číslo vyššie, tým je tepelné čerpadlo efektívnejšie. Vo vyššie uvedenom príklade (pri 500% účinnosti) je COP 5.

Návratnosť tepelného čerpadla

Pokiaľ ide o to, ako dlho trvá človeku návrat jeho peňazí investovaných do niečoho, znamená to, aká výnosná bola samotná investícia. V oblasti vykurovania je všetko dosť ťažké, pretože si zabezpečujeme pohodlie a teplo a všetky systémy sú drahé. V takom prípade však môžete hľadať takú možnosť, ktorá by vrátila peniaze vynaložené na zníženie nákladov počas používania. A keď začnete hľadať vhodné riešenie, porovnáte všetko: plynový kotol, tepelné čerpadlo alebo elektrický kotol. Budeme analyzovať, ktorý systém sa oplatí rýchlejšie a efektívnejšie.

Koncept návratnosti, v tomto prípade, zavedenia tepelného čerpadla na modernizáciu existujúceho systému tepelného hospodárstva, možno zjednodušene vysvetliť nasledovne:

Existuje jeden systém - samostatný plynový kotol, ktorý poskytuje autonómne kúrenie a zásobovanie teplou vodou. K dispozícii je klimatizácia s rozdeleným systémom, ktorá poskytuje jednej miestnosti chlad. Inštalované 3 split systémy v rôznych miestnostiach.

A existuje aj ekonomickejšia pokročilá technológia - tepelné čerpadlo, ktoré bude vykurovať / chladiť domy a ohrievať vodu v správnom množstve pre dom alebo byt. Je potrebné určiť, o koľko sa zmenili celkové náklady na zariadenie a počiatočné náklady, a tiež odhadnúť, o koľko sa znížili ročné prevádzkové náklady na vybrané typy zariadení. A určiť, o koľko rokov sa s výslednými úsporami oplatí drahšie zariadenie. V ideálnom prípade sa porovná niekoľko navrhovaných dizajnových riešení a vyberie sa nákladovo najefektívnejšie.

Vykonáme výpočet a vyyaski, aká je doba návratnosti tepelného čerpadla na Ukrajine

Uvažujme o konkrétnom príklade

• Dom je na 2 podlažiach, dobre izolovaný, o celkovej ploche 150 metrov štvorcových.
• Distribučný systém tepla / kúrenia: okruh 1 - podlahové kúrenie, okruh 2 - radiátory (alebo fancoilové jednotky).
• Bol nainštalovaný plynový kotol na vykurovanie a zásobovanie teplou vodou (TÚV), napríklad 24kW, dvojkruhový.
• Klimatizačný systém z rozdelených systémov pre 3 miestnosti domu.

Ročné náklady na vykurovanie a ohrev vody

Max. vykurovací výkon tepelného čerpadla na vykurovanie, kW	19993,59
Max. príkon tepelného čerpadla počas prevádzky na vykurovanie, kW	7283,18

Max. vykurovací výkon tepelného čerpadla na dodávku teplej vody, kW	2133,46
Max. príkon tepelného čerpadla počas prevádzky na prívod teplej vody, kW	866,12

1. Orientačné náklady na kotolňu s plynovým kotlom s výkonom 24 kW (kotol, potrubie, rozvody, nádrž, meradlo, inštalácia) sú asi 1000 EUR. Klimatizačný systém (jeden delený systém) pre takýto dom bude stáť asi 800 eur. Celkovo s usporiadaním kotolne, projekčnými prácami, pripojením na plynovodnú sieť a montážnymi prácami - 6100 eur.

1. Orientačné náklady na tepelné čerpadlo Mycond s dodatočným systémom fan coil, inštalačnými prácami a pripojením na elektrickú sieť sú 6 650 eur.

1. Rast investícií je: К2-К1 = 6650 - 6100 = 550 eur (alebo približne 16500 UAH)
2. Zníženie prevádzkových nákladov je: C1-C2 = 27252 - 7644 = 19608 UAH.
3. Doba návratnosti Tocup. = 16500/19608 = 0,84 rokov!

Ľahko použiteľné tepelné čerpadlo

Tepelné čerpadlá sú najuniverzálnejším, multifunkčným a energeticky efektívnym zariadením na vykurovanie domu, bytu, kancelárie alebo komerčného objektu.

Najpokročilejší a najpokročilejší je inteligentný riadiaci systém s týždenným alebo denným programovaním, automatickým prepínaním sezónnych nastavení, udržiavaním teploty v dome, ekonomickými režimami, ovládaním pomocného kotla, kotla, obehových čerpadiel, reguláciou teploty v dvoch vykurovacích okruhoch. Invertorové riadenie chodu kompresora, ventilátora, čerpadiel umožňuje maximálnu úsporu energie.

Výhody tepelných čerpadiel a uskutočniteľnosť ich inštalácie

Ako sa uvádza v inzeráte, hlavnou výhodou tepelných čerpadiel je účinnosť vykurovania. Do istej miery to tak funguje. Ak má tepelné čerpadlo prostredie na extrakciu energie, ktoré poskytuje optimálne teplotné indikátory, inštalácia funguje efektívne, náklady na vykurovanie sa znižujú asi o 70-80%. Vždy však existujú prípady, kedy môže byť tepelné čerpadlo stratou peňazí.

Účinnosť tepelného čerpadla je určená nasledujúcimi technologickými vlastnosťami:

• parameter medzného limitu na zníženie teploty pracovnou tekutinou;
• minimálny rozdiel teplôt vonkajšieho výmenníka a prostredia, pri ktorom je odvod tepla extrémne malý;
• úroveň spotreby energie a výstup užitočného tepla.

Realizovateľnosť použitia tepelného čerpadla závisí od viacerých faktorov.

1. Oblasti, kde také vybavenie nevykazuje dobré výsledky, sú oblasti s mrazivými zimami a nízkymi priemernými dennými teplotami. V takom prípade tepelné čerpadlo jednoducho nie je schopné odoberať dostatok tepla z okolia a blížiť sa tak k zóne nulovej účinnosti. Najskôr to platí pre systémy vzduch-vzduch.
2. S nárastom objemu vykurovaného priestoru sa technologické parametre tepelného čerpadla zvyšujú takmer exponenciálne. Výmenníky tepla sa zväčšujú, zvyšuje sa veľkosť a počet ponorných sond vo vode alebo na zemi. V určitom okamihu sa náklady na tepelné čerpadlo na vykurovanie, nevyhnutné výdavky na jeho inštaláciu a údržbu, ako aj platby za spotrebovanú energiu, stanú jednoducho iracionálnymi investíciami. Je oveľa lacnejšie vytvoriť klasickú schému vykurovania plynom pomocou kotla.
3. Čím je systém zložitejší, tým je nákladnejšia a problematickejšia jeho oprava v prípade poruchy. Toto je negatívny doplnok k veľkosti vykurovanej oblasti a vlastnostiam klimatickej zóny.

Poradenstvo! Všeobecne možno s tepelným čerpadlom ako jediným zdrojom tepla v domácnosti uvažovať iba v obmedzenom počte situácií. Vždy je rozumné použiť komplexný systém podpory. Tu je počet možných kombinácií obmedzený iba dostupnými zdrojmi energie a finančnými možnosťami vlastníka.

Klasikou je tepelné čerpadlo a kotol na plynné a tuhé palivo, ktoré spolupracujú. Myšlienka je jednoduchá: produkty spaľovania paliva sa odvádzajú cez široké potrubie. Nachádza sa v ňom výmenník tepelného čerpadla. V systéme kúrenia a zásobovania teplou vodou sú nainštalované zásobníky a kotol na nepriame vykurovanie. Zariadenie (kotol a čerpadlo) sa aktivuje súčasne, keď teplota kvapaliny v distribučnej sieti poklesne. Pri práci vo dvojici takmer úplne využívajú energiu spaľovacieho paliva a ukazovatele účinnosti sa blížia k maximu.

Systém s prispôsobením sa charakteristikám prostredia je založený na tepelnom čerpadle, bloku ventilátora, teplovzdušnej pištoli akejkoľvek triedy. Pri dostatočne vysokej vonkajšej teplote vzduchu (do -5 ... -10 stupňov Celzia) tepelné čerpadlo pracuje normálne a poskytuje dostatočný výkon na vykurovanie. Konštrukčnou vlastnosťou systému je umiestnenie jeho vonkajšieho výmenníka tepla v samostatnom vetracom potrubí. Keď vonkajšia teplota klesne pod optimálnu hladinu, privádzaný vzduch sa ohrieva teplovzdušnou pištoľou (naftovou, elektrickou alebo plynovou).

Je obzvlášť potrebné poznamenať: väčšina schém, ktoré umožňujú prispôsobenie sa teplote vzduchu alebo stabilizáciu prevádzkových parametrov tepelného čerpadla, sa uplatňuje na zariadenia vzduch-vzduch a vzduch-voda. Iné systémy z dôvodu vonkajších výmenníkov tepla izolovaných v zemi alebo vo vode neumožňujú vytvorenie takýchto „skleníkových“ prevádzkových podmienok.

Prevádzka tepelného čerpadla pri práci podľa schémy podzemnej vody

Zberač je možné zakopať tromi spôsobmi.

Horizontálna možnosť

Rúry sú kladené v zákopoch "had" do hĺbky presahujúcej hĺbku zamrznutia pôdy (v priemere - od 1 do 1,5 m).
Takýto zberač bude vyžadovať pozemok s dostatočne veľkou plochou, ale môže ho postaviť každý majiteľ domu - nie sú potrebné žiadne iné schopnosti, ako je schopnosť pracovať s lopatou.

Malo by sa však vziať do úvahy, že ručná konštrukcia výmenníka tepla je dosť namáhavý proces.

Vertikálna možnosť

Rúrky nádrže vo forme slučiek s písmenom „U“ sú ponorené do vrtov s hĺbkou 20 až 100 m. Po inštalácii rúr sú studne naplnené cementovou maltou.

Výhodou vertikálneho kolektora je, že na jeho konštrukciu je potrebná veľmi malá plocha. Neexistuje však žiadny spôsob, ako vŕtať studne hlboké viac ako 20 m - budete si musieť najať tím vrtákov.

Kombinovaná možnosť

Tento kolektor možno považovať za akýsi horizontálny, ale na jeho konštrukciu je potrebný oveľa menší priestor.
Na mieste je vykopaná kruhová studňa s hĺbkou 2 m.

Rúry výmenníka tepla sú uložené v špirále, takže obvod je ako vertikálne inštalovaná pružina.

Po dokončení inštalačných prác je studňa naplnená. Rovnako ako v prípade horizontálneho výmenníka tepla je možné všetok potrebný objem práce vykonať ručne.

Zberač je naplnený nemrznúcou kvapalinou - nemrznúcou kvapalinou alebo roztokom etylénglykolu. Aby sa zabezpečila jeho cirkulácia, do okruhu sa prerezá špeciálne čerpadlo. Po absorbovaní tepla z pôdy nemrznúca zmes odchádza do výparníka, kde dochádza k výmene tepla medzi ňou a chladivom.

Je potrebné mať na pamäti, že neobmedzené získavanie tepla z pôdy, najmä ak je kolektor umiestnený vertikálne, môže viesť k nežiaducim následkom pre geológiu a ekológiu lokality. Preto je v letnom období veľmi žiaduce prevádzkovať tepelné čerpadlo typu „pôda - voda“ v obrátenom režime - klimatizácia.

Plynový vykurovací systém má veľa výhod a jednou z hlavných sú nízke náklady na plyn. Ako vybaviť domáce kúrenie plynom, vyzve vás schéma vykurovania súkromného domu s plynovým kotlom. Zvážte návrh vykurovacieho systému a požiadavky na jeho výmenu.

Prečítajte si o vlastnostiach výberu solárnych panelov na vykurovanie domu v tejto téme.

Ako vypočítať a zvoliť tepelné čerpadlo

Výpočet a návrh tepelných čerpadiel

Ako vypočítať a zvoliť tepelné čerpadlo.

Ako viete, tepelné čerpadlá využívajú bezplatné obnoviteľné zdroje energie: nízkostupňové teplo vzduch, pôda, podzemie, otvorené nemrznúce vodné útvary, odpad a odpadová voda a vzduch, ako aj odpadové teplo z technologických podnikov. Na jeho zber sa spotrebuje elektrická energia, ale pomer množstva prijatej tepelnej energie k množstvu spotrebovanej elektriny je asi 3–7 krát.

Ak hovoríme iba o zdrojoch nízko kvalitného tepla okolo nás na vykurovacie účely, je to; vonkajší vzduch s teplotou –3 až +15 ° С, vzduch odvádzaný z miestnosti (15–25 ° С), podložia (4–10 ° С) a podzemných (asi 10 ° C) vôd, jazierkových a riečnych vôd ( 5–10 ° С), povrch pôdy (pod bodom mrazu) (3–9 ° С) a hlboký povrch (viac ako 6 m - 8 ° C).

Extrakcia tepla z prostredia (vnútorný obvod).

Kvapalné chladiace médium sa prečerpáva do výparníka pri nízkom tlaku. Tepelná úroveň teplôt okolo výparníka je vyššia ako zodpovedajúca teplota varu pracovného média (chladivo je vybrané tak, aby mohlo vrieť aj pri mínusových teplotách). Vďaka tomuto teplotnému rozdielu sa teplo prenáša do okolitého prostredia, do pracovného prostredia, ktoré pri týchto teplotách vrie a vyparuje sa (premení sa na paru). Teplo, ktoré je na to potrebné, sa získava z ktoréhokoľvek z vyššie uvedených nízko kvalitných zdrojov tepla.

Získajte viac informácií o obnoviteľných zdrojoch energie

Ak sa ako zdroj tepla zvolí atmosférický alebo ventilačný vzduch, použijú sa tepelné čerpadlá pracujúce podľa schémy „vzduch-voda“. Čerpadlo môže byť umiestnené v interiéri alebo exteriéri so zabudovaným alebo diaľkovým kondenzátorom. Vzduch je fúkaný cez výmenník tepla (výparník) pomocou ventilátora.

Ako zdroj nízko kvalitnej tepelnej energie možno použiť podzemnú vodu s relatívne nízkou teplotou alebo pôdu povrchových vrstiev zeme. Obsah tepla v pôdnej hmote je všeobecne vyšší. Tepelný režim pôdy povrchových vrstiev Zeme sa formuje 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 teploty vonkajšieho vzduchu spôsobujú kolísanie teploty horných 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 do jeden a pol metra. Hĺbka prieniku sezónnych výkyvov teploty vonkajšieho vzduchu a intenzita dopadajúceho slnečného žiarenia nepresahuje spravidla 15–20 m.

Typy horizontálnych výmenníkov tepla:

- výmenník tepla vyrobený z rúr zapojených do série; - výmenník tepla vyrobený z paralelne zapojených potrubí; - vodorovný kolektor uložený vo výkope; - výmenník tepla vo forme slučky; - výmenník tepla vo forme špirály, ktorý je umiestnený vodorovne (takzvaný „slinky“ kolektor); - výmenník tepla vo forme špirály, umiestnený zvisle.

Voda dobre 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 úrovni teploty má tento zdroj tepla celoročne vysoký konverzný pomer cez tepelné čerpadlo. Bohužiaľ nie je všade dostatok podzemnej vody. Ak sa použije ako zdroj podzemnej vody, prívod sa vykonáva zo studne pomocou ponorného čerpadla do vstupu do výmenníka tepla (výparníka) tepelného čerpadla pracujúceho podľa systému „voda-voda / otvorený systém“. ”, Z výstupu výmenníka tepla sa voda čerpá buď do inej studne, alebo sa vypúšťa do vodného útvaru. Výhodou otvorených systémov je schopnosť získavať veľké množstvo tepelnej energie pri relatívne nízkych nákladoch. Studne však vyžadujú údržbu. Okrem toho použitie takýchto systémov nie je možné vo všetkých oblastiach. Hlavné požiadavky na pôdu a podzemné vody sú tieto:

- dostatočná priepustnosť pôdy pre vodu, ktorá umožňuje doplnenie zásob vody; - dobré chemické zloženie podzemnej vody (napr. nízky obsah železa), aby sa zabránilo problémom spojeným s tvorbou usadenín na stenách potrubí a koróziou.

Otvorené systémy sa častejšie používajú na vykurovanie alebo chladenie veľkých budov. Najväčší svetový systém prenosu geotermálneho tepla využíva podzemné vody ako zdroj nízko kvalitnej tepelnej energie. Tento systém sa nachádza v Louisville, Kentucky, USA. Systém sa používa na dodávku tepla a chladu v hotelovom a kancelárskom komplexe; jeho kapacita je približne 10 MW.

Zoberme si ďalší zdroj - nádrž, na jej dne môžete položiť slučky z plastového potrubia, schéma "voda-voda / uzavretý systém". Cez potrubie cirkuluje roztok etylénglykolu (nemrznúca zmes), ktorý prenáša teplo do chladiva cez výmenník tepla (výparník) tepelného čerpadla.

Pôda má schopnosť akumulovať slnečnú energiu po dlhú dobu, čo zaisťuje relatívne rovnomernú teplotu zdroja tepla počas celého roka, a tým vysoký konverzný faktor tepelného čerpadla.Teplota v ornici sa líši podľa sezóny. Pod bodom mrazu sú tieto teplotné výkyvy výrazne znížené. Teplo akumulované v zemi sa rekuperuje pomocou vodorovne uložených uzavretých výmenníkov tepla, ktoré sa tiež nazývajú zemné kolektory, alebo pomocou vertikálne položených výmenníkov tepla, takzvaných geotermálnych sond. Teplo prostredia sa prenáša zmesou vody a etylénglykolu (soľanka alebo médium), ktorých bod tuhnutia by mal byť približne -13 ° C (berte do úvahy údaje výrobcu). Vďaka tomu soľanka počas prevádzky nezamŕza.

To znamená, že existujú dve možnosti získavania nízko kvalitného tepla z pôdy. Horizontálne kladenie plastových rúrok do zákopov hlbokých 1,3–1,7 m, v závislosti od klimatických podmienok oblasti, alebo zvislých studní hlbokých 20–100 m. Rúry je možné ukladať do zákopov vo forme špirál, ale s hĺbkou ukladania 2 - 4 m, to výrazne zníži celkovú dĺžku zákopov. Maximálny prenos tepla povrchovou pôdou je od 7 do 25 W pri l.p., od geotermálneho 20 - 50 W pri l.p. Podľa výrobných spoločností je životnosť zákopov a studní viac ako 100 rokov.

Niečo viac o vertikálnych zemných výmenníkoch tepla.

Od roku 1986 sa vo Švajčiarsku neďaleko Zürichu uskutočňovali štúdie o systéme s vertikálnymi zemnými tepelnými výmenníkmi [4]. V pôdnom masíve bol inštalovaný vertikálny zemný koaxiálny výmenník tepla s hĺbkou 105 m. Tento výmenník tepla bol použitý ako zdroj nízko kvalitnej tepelnej energie pre systém prenosu tepla inštalovaný v rodinnom bytovom dome. Vertikálny zemný výmenník tepla poskytoval špičkový výkon približne 70 wattov na meter dĺžky, čo vytváralo značné tepelné zaťaženie okolitej pôdnej hmoty. Ročná výroba tepla je asi 13 MWh.

Vo vzdialenosti 0,5 a 1 m od hlavnej studne boli vyvŕtané ďalšie dve studne, v ktorých boli nainštalované snímače teploty v hĺbke 1, 2, 5, 10, 20, 35, 50, 65, 85 a 105 m, po ktorých boli jamky naplnené ílovo-cementovou zmesou. Teplota sa merala každých tridsať minút. Okrem teploty pôdy sa zaznamenávali aj ďalšie parametre: rýchlosť pohybu chladiacej kvapaliny, spotreba energie pohonu kompresora, teplota vzduchu atď.

Prvé pozorovacie obdobie trvalo od roku 1986 do roku 1991. Merania preukázali, že vplyv tepla vonkajšieho vzduchu a slnečného žiarenia sa pozoruje v povrchovej vrstve pôdy v hĺbke 15 m. Pod touto úrovňou sa tepelný režim pôdy formuje hlavne pôsobením tepla zemský vnútro. Počas prvých 2 - 3 rokov prevádzky teplota pôdnej hmoty obklopujúcej vertikálny výmenník tepla prudko poklesla, ale každý rok pokles teploty klesal a po niekoľkých rokoch prešiel systém do režimu takmer stáleho, keď teplota pôdna hmota okolo výmenníka tepla sa stala 1 -2 ° C.

Na jeseň roku 1996, desať rokov po začiatku prevádzky systému, boli merania obnovené. Tieto merania ukázali, že teplota pôdy sa významne nezmenila. V ďalších rokoch boli zaznamenané mierne výkyvy teploty pôdy v rozmedzí 0,5 ° C v závislosti od ročného vykurovacieho zaťaženia. Systém teda dosiahol po prvých rokoch prevádzky kvázi stacionárny režim.

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

Matematické modelovanie ukázalo, že ročný pokles teploty sa bude postupne znižovať a objem pôdnej hmoty okolo výmenníka tepla, s výhradou poklesu teploty, sa bude každý rok zvyšovať.Na konci prevádzkového obdobia začína proces regenerácie: teplota pôdy začína stúpať. Povaha procesu regenerácie je podobná povahe procesu „extrakcie“ tepla: v prvých rokoch prevádzky dochádza k prudkému zvýšeniu teploty pôdy a v ďalších 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 pozemného výmenníka tepla tridsať rokov a doba „regenerácie“ sa tiež odhaduje na tridsať rokov.

Vykurovacie a chladiace systémy pre budovy, ktoré využívajú málo kvalitné teplo zo zeme, teda predstavujú spoľahlivý zdroj energie, ktorý sa dá využiť všade. Tento zdroj je možné používať dostatočne dlho a na konci prevádzkového obdobia je možné ho obnoviť.

Výpočet horizontálneho kolektora tepelného čerpadla

Odvod tepla z každého metra potrubia závisí od mnohých parametrov: hĺbka inštalácie, dostupnosť podzemnej vody, kvalita pôdy atď. Zhruba sa dá uvažovať, že pre horizontálne kolektory je to 20 W.m.p. Presnejšie: suchý piesok - 10, suchá hlina - 20, vlhká hlina - 25, hlina s vysokým obsahom vody - 35 W.m.p. Rozdiel v teplote chladiacej kvapaliny v priamom a spätnom potrubí slučky sa vo výpočtoch zvyčajne berie ako 3 ° C. Na mieste kolektora by budovy nemali byť postavené tak, aby teplo zeme, t.j. náš zdroj energie bol doplnený energiou zo slnečného žiarenia.

Minimálna vzdialenosť medzi položenými rúrami by mala byť minimálne 0,7–0,8 m. Dĺžka jedného výkopu sa môže pohybovať od 30 do 150 m. Je dôležité, aby boli dĺžky pripojených obvodov približne rovnaké. Ako vykurovacie médium v ​​primárnom 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 tlaková strata v potrubiach 1,5-krát väčšia ako pri cirkulácii vody. Pri výpočte parametrov primárneho okruhu inštalácie tepelného čerpadla budete musieť určiť prietok média:

Vs = Qo 3600 / (1,05 3,7 t),

Kde .t - teplotný rozdiel medzi prívodným a spätným vedením, ktorý sa často považuje za 3 oK. Potom Qo - tepelná energia prijímaná zo zdroja s nízkym potenciálom (zem). Posledná uvedená hodnota sa počíta ako rozdiel medzi celkovým výkonom tepelného čerpadla Qwp a elektrickým výkonom vynaloženým na ohrev chladiva. P:

Qo = Qwp - P, kW.

Celková dĺžka kolektorových potrubí Ľ a celková plocha stránky pre ňu A vypočítané podľa vzorcov:

L = Qo / q,

A = L da.

Tu q - špecifický (od 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 s prihliadnutím na infiltráciu) - 13 kW; teplota vody vo vykurovacom systéme je 35 ° C (podlahové kúrenie); minimálna teplota chladiacej kvapaliny na výstupe z výparníka je 0 ° С. Na vykurovanie budovy bolo z existujúceho technického radu zariadení vybrané tepelné čerpadlo s výkonom 14,5 kW, pričom zohľadnenie strát na viskozite média pri získavaní a prenose tepelnej energie zo zeme je 3,22 kW. Odvod tepla z povrchovej vrstvy pôdy (suchý íl), q sa rovná 20 W / m.p. V súlade so vzorcami vypočítame:

1) požadovaný tepelný výkon kolektora Qo = 14,5 - 3,22 = 11,28 kW;

2) celková dĺžka potrubia L = Qo / q = 11,28 / 0,020 = 564 l.p. Na usporiadanie takého zberača budete potrebovať 6 okruhov dlhých 100 m;

3) s krokom kladenia 0,75 m, požadovaná plocha pozemku A = 600 x 0,75 = 450 m2;

4) všeobecná dávka 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 zvolíme plastové potrubie štandardnej veľkosti 32x3. Tlaková strata v ňom bude 45 Pa / m.p .; odpor jedného obvodu je približne 7 kPa; prietok chladiacej kvapaliny - 0,3 m / s.

Výpočet sondy

Pri použití zvislých studní s hĺbkou 20 až 100 m sú do nich ponorené plastové rúrky v tvare U (s priemermi od 32 mm). Spravidla sú do jednej jamky vložené dve slučky, naplnené suspenzným roztokom. V priemere sa merný tepelný výkon takejto sondy môže rovnať 50 W / m.p. Môžete sa tiež zamerať na nasledujúce údaje o tepelnom výkone:

- suché usadené horniny - 20 W / m; - kamenistá 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 ° С. Vzdialenosť medzi studňami by mala byť viac ako 5 m. Ak existujú podzemné prúdy, mali by byť jamky umiestnené na priamke kolmej na tok.

Výber priemerov rúr sa vykonáva na základe tlakovej straty pre požadovaný prietok chladiacej kvapaliny. Výpočet prietoku kvapaliny je možné vykonať pre t = 5 ° С.

Príklad výpočtu.

Počiatočné údaje sú rovnaké ako pri vyššie uvedenom výpočte horizontálneho zásobníka. Pri špecifickom tepelnom výkone sondy 50 W / m a požadovanom výkone 11,28 kW by mala byť dĺžka sondy L 225 m.

Na nastavenie kolektora je potrebné vyvŕtať tri studne s hĺbkou 75 m. V každej z nich umiestnime dve slučky potrubia 32x3; spolu - 6 okruhov, každý 150 m.

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

Výber vybavenia

Pretože teplota nemrznúcej zmesi sa môže meniť (od –5 do +20 ° C), je v primárnom okruhu jednotky tepelného čerpadla potrebná hydraulická expanzná nádrž.

Odporúča sa tiež inštalovať akumulačnú nádrž na vykurovacie (kondenzačné) vedenie tepelného čerpadla: kompresor tepelného čerpadla pracuje v režime zap-vyp. Príliš časté štarty môžu viesť k rýchlejšiemu opotrebovaniu jeho častí. Nádrž je tiež užitočná ako akumulátor energie - v prípade výpadku elektrickej energie. Jeho minimálny objem sa odoberá vo výške 20 - 30 litrov na 1 kW výkonu tepelného čerpadla.

Pri použití bivalencie, druhého zdroja energie (elektrický, plynový, kotol na kvapalné alebo tuhé palivo), je pripojený k okruhu cez akumulátorovú nádrž, ktorá je zároveň termohydrodistribútorom, aktivácia kotla je riadená tepelným čerpadlom resp. horná úroveň automatizačného systému.

V prípade možných výpadkov napájania je možné výkon inštalovaného tepelného čerpadla zvýšiť koeficientom vypočítaným podľa vzorca: f = 24 / (24 - t off), kde t off je doba trvania výpadku energie.

V prípade možného výpadku napájania 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, že tepelné čerpadlo sa používa ako jediný generátor tepelnej energie.

Je potrebné mať na pamäti: aj u nás je trvanie období s nízkou teplotou vzduchu malou časťou vykurovacej sezóny. Napríklad pre stredný región Ruska je čas, keď teplota klesne pod –10 ° С, iba 900 hodín (38 dní), zatiaľ čo samotné trvanie sezóny je 5112 hodín a priemerná januárová teplota je približne –10 ° С. Najvýhodnejšia je preto prevádzka tepelného čerpadla v bivalentnom režime, ktorá umožňuje zahrnutie ďalšieho zdroja v období, 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 práce na inštalácii primárneho okruhu (kladenie zákopov, vŕtanie studní atď.), Ktoré sa výrazne zvyšujú so zvyšujúcou sa kapacitou zariadenia.

V centrálnej oblasti Ruska sa dá pri hrubom odhade pri výbere tepelného čerpadla pracujúceho v bivalentnom režime zamerať na pomer 70/30: 70% potreby tepla pokrýva tepelné čerpadlo a zvyšných 30 - elektrický alebo iný zdroj tepelnej energie. V južných regiónoch je možné riadiť pomer výkonu tepelného čerpadla a prídavného zdroja tepla, ktorý sa často používa v západnej Európe: 50 až 50.

Pre chatu s rozlohou 200 m2 pre 4 osoby so stratou tepla 70 W / m2 (počítané pre –28 ° C teplotu vonkajšieho vzduchu) bude potreba tepla 14 kW. K tejto hodnote pripočítajte 700 W na prípravu teplej úžitkovej vody. Vďaka tomu bude požadovaný výkon tepelného čerpadla 14,7 kW.

Ak existuje možnosť dočasného výpadku napájania, musíte toto číslo zvýšiť o príslušný faktor. Povedzme, že denný čas vypnutia je 4 hodiny, potom by výkon tepelného čerpadla mal byť 17,6 kW (multiplikačný faktor je 1,2). V prípade monovalentného režimu si môžete 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 získavania teplej vody a bezpečnostného faktora by mal byť výkon tepelného čerpadla 11,4 W a výkon elektrického kotla - 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 vhodný kotol bude: elektrina - 42 000, nafta - 25 000 a plyn - asi 8 000 rubľov. (za prítomnosti dodávaného potrubia a nízkych cien plynu v Rusku). V súčasnosti sa na naše podmienky z hľadiska efektívnosti práce dá tepelné čerpadlo porovnávať iba s plynovým kotlom novej série a z hľadiska prevádzkových nákladov, životnosti, bezpečnosti (nie je nutná žiadna kotolňa) a ohľaduplnosti k životnému prostrediu, prekonáva všetky ostatné druhy výroby tepelnej energie.

Upozorňujeme, že pri inštalácii tepelných čerpadiel by ste sa mali predovšetkým postarať o izoláciu budovy a inštaláciu okien s dvojitým zasklením s nízkou tepelnou vodivosťou, čo zníži tepelné straty budovy, a tým aj náklady na prácu a vybavenie.

https://www.patlah.ru

© „Encyklopédia technológií a techník“ Patlakh V.V. 1993-2007

Výpočet horizontálneho kolektora tepelného čerpadla

Účinnosť vodorovného kolektora závisí od teploty média, do ktorého je ponorený, od jeho tepelnej vodivosti a od oblasti dotyku s povrchom potrubia. Metóda výpočtu je dosť komplikovaná, preto sa vo väčšine prípadov používajú priemerné údaje.

Predpokladá sa, že každý meter výmenníka tepla poskytuje HP nasledovný tepelný výkon:

• 10 W - ak je pochovaný v suchej piesočnatej alebo kamenistej pôde;
• 20 W - v suchej hlinenej pôde;
• 25 W - vo vlhkej ílovitej pôde;
• 35 W - vo veľmi vlhkej hlinitej pôde.

Na výpočet dĺžky kolektora (L) by sa teda požadovaný tepelný výkon (Q) mal vydeliť výhrevnosťou pôdy (p):

L = Q / str.

Uvedené hodnoty možno považovať za platné, iba ak sú splnené nasledujúce podmienky:

• Pozemok nad kolektorom nie je zastavaný, netienený ani vysadený stromami či kríkmi.
• Vzdialenosť medzi susednými závitmi špirály alebo úsekmi „hada“ je najmenej 0,7 m.

Ako fungujú tepelné čerpadlá

Každé tepelné čerpadlo má pracovné médium nazývané chladivo. V tejto funkcii zvyčajne pôsobí freón, menej často amoniak. Samotné zariadenie sa skladá iba z troch komponentov:

Výparník a kondenzátor sú dve nádrže, ktoré vyzerajú ako dlhé zakrivené rúrky - špirály.Kondenzátor je na jednom konci pripojený k výstupu kompresora a výparník k vstupu. Konce cievok sú spojené a na spoji medzi nimi je nainštalovaný redukčný ventil. Výparník je v kontakte - priamo alebo nepriamo - so zdrojovým médiom a kondenzátor je v kontakte so systémom kúrenia alebo TÚV.

Ako funguje tepelné čerpadlo

Prevádzka VT je založená na vzájomnej závislosti objemu, tlaku a teploty plynu. Vo vnútri jednotky sa deje toto:

1. Amoniak, freón alebo iné chladivo, pohybujúce sa pozdĺž výparníka, sa ohrieva napríklad zo zdrojového média na teplotu +5 stupňov.
2. Po prechode výparníkom sa plyn dostane do kompresora, ktorý ho prečerpá do kondenzátora.
3. Chladivo vypúšťané kompresorom je v kondenzátore zadržané redukčným ventilom, takže jeho tlak je tu vyšší ako vo výparníku. Ako viete, so zvyšujúcim sa tlakom sa zvyšuje teplota akýchkoľvek plynov. Presne to sa deje s chladivom - ohrieva sa na 60 - 70 stupňov. Pretože kondenzátor je umývaný chladiacou kvapalinou cirkulujúcou vo vykurovacom systéme, ohrieva sa aj tento.
4. Chladivo sa odvádza v malých častiach cez redukčný ventil do výparníka, kde jeho tlak opäť klesá. Plyn expanduje a ochladzuje sa, a pretože časť jeho vnútornej energie sa stratila v dôsledku výmeny tepla v predchádzajúcom stupni, jeho teplota klesla pod počiatočných +5 stupňov. Za výparníkom sa opäť ohrieva, potom je kompresorom prečerpávaný do kondenzátora - a tak ďalej v kruhu. Vedecky sa tento proces nazýva Carnotov cyklus.

Tepelné čerpadlo však stále zostáva veľmi výnosné: za každý spotrebovaný kW * h elektrickej energie je možné získať od 3 do 5 kW * h tepla.

Úspora energie

Využívanie alternatívnych zdrojov energie je dnes prioritnou úlohou takmer vo všetkých sférach modernej ľudskej činnosti. Aktívne využívanie energie vetra, vody a slnka umožňuje nielen výrazne znížiť náklady na finančné zdroje pri realizácii všetkých druhov technologických operácií, ale má aj priaznivý vplyv na stav životného prostredia (spojený so znížením emisií znečisťujúcich látok do atmosféry).

Podobný trend možno pozorovať aj v rezidenčnom sektore, v rámci ktorého sa na vytváranie priaznivých životných podmienok čoraz viac využívajú slnečné kolektory, veterné generátory, ekonomické generátory tepla a tiež sa prijímajú opatrenia na zvýšenie úrovne tepelnej izolácie všetkých prvkov. štruktúry.

Veľmi efektívnym opatrením z ekonomického hľadiska je využitie tepelných čerpadiel - zdrojov geotermálnej energie. Tepelné čerpadlá sú principiálne konštruované tak, že dokážu z prostredia získavať teplo doslova kúsok po kúsku, až potom ho transformujú a smerujú na miesto priameho použitia. Vzduch, voda, pôda môžu pôsobiť ako zdroje energie pre tepelné čerpadlo, zatiaľ čo celý proces sa realizuje vďaka fyzikálnym vlastnostiam niektorých látok (chladív), ktoré varia pri nízkych teplotách.

Takže náklady na tradičné zdroje na výkon predstaveného generátora tepla sú spojené iba s prepravou energie, zatiaľ čo jeho hlavná časť je zapojená zvonka. Vzhľadom na základné charakteristiky tepelných čerpadiel môže koeficient ich výkonu dosiahnuť 3 - 5 jednotiek, to znamená, že pri výdaji 100 W elektrickej energie na prevádzku tepelného čerpadla môžete získať až 0,5 kW tepelného výkonu.