Дипломная работа: Продвижение прогрессивных систем энергосбережения в Украине в сегменте (ТН) тепловых насосов

2. Грунтовые зонды(рис.1.5а)

Рис.1.5. Схема теплового насоса "земля – вода" с грунтовым вертикальным зондом (а) и грунтовым вертикальным коллектором(б) [32]

Действие земляного зонда

Рис.1.6. Действие земляного зонда [32]

Действие земляного коллектора

Рис.1.7. Действие земляного коллектора [32]

Источник тепла: грунт. Тип теплового насоса: рассол/вода.

Грунт хорошо аккумулирует солнечную энергию. Она воспринимается грунтом либо непосредственно в форме солнечной радиации, либо косвенно в форме тепла, получаемого от дождя или из воздуха. Грунт имеет свойство сохранять солнечное тепло в течение длительного времени, что ведет к относительно равномерному уровню температуры источника тепла на протяжении всего года. Также на глубинах больше 20 метров происходит поступление тепла от центра земли и каждые 100 метров температура грунта увеличивается на 3ºС, что обеспечивает эксплуатацию теплового насоса с высоким КПД. Аккумулированное грунтом тепло передается вместе со смесью из воды и антифриза (рассолом), через горизонтально проложенные грунтовые теплообменники (грунтовые коллекторы) или через вертикально расположенные теплообменники (грунтовые зонды).

1. Преимущества тепловых насосов "земля-вода" с грунтовыми коллекторами:

- экономически выгодные затраты;

- высокие годовые коэффициенты эффективности теплового насоса.

Недостатки тепловых насосов "земля-вода" с грунтовыми коллекторами:

- важная роль точности укладывания, проблемы с образованием воздушных "мешков" в случае неквалифицированного укладывания;

- потребность в большой технологической площади;

- невозможность перестройки.

Отбор тепла из грунта производится с помощью пластиковых труб большой площади, уложенных параллельно поверхности земли, как правило, в виде нескольких контуров. При этом один контур по своей длине не должен превышать 100 м, так как иначе потребуется слишком высокая мощность качающего насоса. Отдельные контуры подключаются к распределителю, который должен находиться в самой высокой точке, чтобы обеспечить возможность развоздушивания системы трубопроводов. Временное оледенение грунта не имеет никаких негативных последствий на функционирование ТНУ и на растительное покрытие технологической площади. По возможности необходимо следить за тем, чтобы на площади, занимаемой грунтовым коллектором, не располагались растения с глубокой корневой системой. Важно также, чтобы трубы укладывались в песчаной постели для предотвращения вероятных повреждений острыми камнями. Прежде чем выполнять засыпку коллектора, обязательно рекомендуется опрессовать систему трубопроводов. Лучше всего держать трубопровод под испытательным давлением также и во время засыпки. Тогда очень легко сразу заметить вероятные повреждения. Выполнение требуемых перемещений грунта возможно без больших дополнительных затрат в особенности на новостройках. Величина отбора тепловой мощности из грунта зависит от многих факторов, прежде всего – от влажности грунта. Особенно хороший практический опыт получен при работе с влажными суглинками. Менее пригодными являются песчаные грунты.

2. Преимущества теплового насоса "земля – вода" с грунтовым зондом:

- надёжность;

- незначительная потребность в занимаемой технологической площади;

- высокие годовые коэффициенты эффективности теплового насоса.

Недостатки теплового насоса "земля – вода" с грунтовым зондом:

- как правило, высокие инвестиционные затраты;

- инсталляция возможна не во всех регионах.

Грунтовые зонды получили за последние годы очень широкое распространение благодаря простоте обустройства и незначительной потребности в технологической площади. Такие зонды состоят, как правило, из пучка четырёх параллельных пластиковых труб, концы которых свариваются специальными фасонными деталями и образуют так называемую ножку зонда. При этом каждые две пластиковые трубы соединяются так, что создают два независимых один от другого контура. Их называют также двойными U-образными зондами. При наличии хороших гидрогеологических условий можно реализовать высокую мощность отбора тепла. Предпосылкой для планирования и обустройства грунтовых зондов служит точная информация о характерных свойствах грунта и информация о внутригрунтовых процессах. В настоящее время уже есть целая сеть фирм, которые специализируются в области обустройства грунтовых зондов и, наряду с проектированием и инсталляцией зондов, предлагают также разрешительную документацию. Можно также обратиться за профессиональной консультацией к специалистам-геологам или в местный геологический департамент.

Тепловые насосы "вода-вода" используются в 2 –х схемах:

1.  Грунтовые воды;

2.  Открытые водоемы.

Рис.1.8. Схема теплового насоса "вода – вода" с использованием грунтовых вод [31]

Источник тепла: грунтовые воды. Тип теплового насоса: вода/вода

Грунтовые воды – хороший аккумулятор солнечного тепла: даже в холодные зимние дни они сохраняют постоянную положительную температуру. Для использования тепла необходимо пробурить подающую и поглощающую скважины, строго учитывая при этом направление те-чения подземных вод и их качество. Для работы тепловых насосов при определенных условиях могут использоваться озера и реки, т.к. они тоже выступают в роли аккумуляторов тепла.К со-жалению, не везде имеется достаточное количество грунтовых вод надлежащего качества. К то-му же на использование грунтовых вод должно быть получено разрешение соответствующего ведомства (обычно службы госводонадзора).

Преимущества теплового насоса "вода – вода" с использованием грунтовых вод:

- экономически привлекательный источник тепла;

- незначительная потребность в технологической площади.

Недостатки теплового насоса "вода – вода" с использованием грунтовых вод:

- открытая система;

- затраты на обслуживание;

- требуется анализ грунтовых вод;

- обязательное наличие разрешительной документации.

Использование грунтовых вод путём их отбора через колодезную установку и последующего возврата в водоносные слои грунта является особенно выгодным с энергетической точки зрения. Практически константная температура воды в течение всего года позволяет достичь высоких значений коэффициента мощности ТН(теплового насоса). Особое внимание при этом необходимо уделять потребности во вспомогательной энергии, особенно электроэнергопотреблению качающего насоса. В небольших ТНУ или при значительных глубинах укладки зондов предполагаемые энергетические преимущества очень часто "съедаются" дополнительными затратами энергии качающих насосов и нередко приводят к существенному влиянию на годовой коэффициент эффективности.

Кроме того, при разработке источника тепла "Грунтовые воды" следует помнить, что речь здесь идёт об открытой системе, которая зависит от качества воды, расхода воды и т.д. Поэтому решение о применении того или иного ТН (теплового насоса) для работы с грунтовыми водами необходимо особенно тщательно обдумывать и взвешивать.Прежде всего, следует проверить, есть ли в выбранной Вами местности достаточное количество грунтовых вод на глубине макс. 20 м. Об этом можно узнать у местной администрации по управлению водными ресурсами, у городского предприятия водоснабжения или у местных бурильно-монтажных фирм по обустройству артезианских колодцев.Затем необходимо получить разрешение местной администрации по управлению водными ресурсами на отбор и возврат грунтовых вод для целей отопления. Планирование и исполнение работ по обустройству колодезной, т.е. скважинной установки должно выполняться квалифицированным бурильно-монтажным предприятием, так как непрофессиональное исполнение может привести в течение нескольких лет к существенным отложениям железо-магниевых окислов именно в поглощающем, т.е. насыщающем колодце. Для устранения такого повреждения потребуются очень значительные затраты. К тому же во время проведения ремонтно-восстановительных работ эксплуатация ТНУ невозможна,так что при наличии моновалентной ТНУ нельзя обеспечить отопление здания.

Качество грунтовых вод определяется путём специального анализа воды. При эксплуатации ТНУ тоже рекомендуется регулярно брать пробы воды на анализ, так как состав грунтовых вод может со временем изменяться.

Из-за существенных затрат грунтовые воды как источник тепла используют на маленьких объектах (в одно- и двухсемейных домах) в большинстве случаев только там, где уже собран многолетний опыт эксплуатации колодцев и где можно отказаться от регулярного отбора проб для анализа воды. Напротив, на больших объектах, например, в жилищных комплексах, офисных постройках, коммунальных зданиях, источник тепла "Грунтовые воды" играет важную роль, прежде всего – в сочетании с системой охлаждения здания. Здесь соотношение прибыли и затрат, как правило, позитивное.

Таким образом, в нашем распоряжении имеются такие источники тепла как грунтовые воды, воздух и грунт. Какой из этих источников тепла является наиболее подходящим в каждом конкретном случае – зависит от таких факторов как доступность и эффективность источников тепла. По вполне понятным причинам наиболее доступным источником тепла является воздух, наименее – грунтовые воды. Что касается эффективности, то относительно низкие показатели тепловых насосов, использующих в качестве источника тепла воздух, обусловлены тем, что при температуре ниже -15ºС установка не покрывает теплопотребность здания, и ее необходимо использовать в сочетании с другим источником тепла (гелиоустановкой/дровяным котлом) или электронагревательной вставкой в бойлере. Грунт и грунтовые воды в качестве источника тепла примерно одинаковы в плане эффективности

Тепловой насос — это универсальный прибор, сочетающий в себе отопительный котел, источник горячего водоснабжения и кондиционер. Основное отличие от всех остальных источников тепла заключается в исключительной возможности использовать возобновляемую низкотемпературную энергию окружающей среды на нужды отопления и нагрева воды. Эти устройства называют "тепловыми насосами", поскольку они позволяют как бы "перекачивать" тепло из низкотемпературного источника в высокотемпературный.

Теплонасос состоит из 4 основных агрегатов (рис.1.9):

- испаритель,

- конденсатор,

- расширительный вентиль (разряжающий вентиль- дроссель, понижает давление),

- компрессор (повышает давление).

Эти агрегаты связаны замкнутым трубопроводом. В системе трубопровода циркулирует хладагент, который в одной части цикла представляет собой жидкость, а в другой - газ.

Рис.1.9. Схема работы теплового насоса [30] (1 - Теплоисточник, коллектор 2 – Испаритель 3 – Компрессор 4 – Конденсатор 5 - Расширительный вентиль)

Путем регулирования давления расширительным вентилем настраивается такой поток хладагента в испаритель(1), который обеспечивает определенную расчетную температуру его кипения, вскипая, хладагент отбирает тепло, поставляемое коллектором из окружающей среды. Газ, в который превратился хладагент, всасывается в компрессор(2), где он сжимается и, нагретый, выталкивается в конденсатор. Конденсатор(3) является теплоотдающим звеном теплонасоса. Здесь тепло переходит на воду в системе отопительного контура. При этом газ охлаждается и снова сгущается в жидкость. Хладагент подвергается разряжению в расширительном вентиле(4) и возвращается в испаритель. Рабочий цикл начинается сначала.

Преимущества Тепловых насосов:

1. Экономичность. Позволяет получить на 1 кВт фактически затраченной энергии 3-6 кВт тепловой энергии или до 2,5 кВт мощности по охлаждению на выходе.

2. Энергосбережение. Применение тепловых насосов - это сбережение невозобновляе-мых энергоресурсов. Теплонасос производит тепло, черпая возобновляемую низкопотенциаль-ную тепловую энергию из окружающей среды, не используя традиционные энергоносители.

3. Экологичность. Экологически чистый метод отопления и кондиционирования, как для окружающей среды, так и для людей находящихся в помещении.

4. Безопасность. Нет открытого пламени, нет выхлопа, нет сажи, нет запаха солярки, исключена утечка газа, разлив мазута. Нет пожароопасных хранилищ для угля, дров, мазута, или солярки.

5. Надежность. Минимум подвижных частей с высоким ресурсом работы. Независимость от поставки топочного материала и его качества. Защита от перебоев электроэнергии. Практи-чески не требует обслуживания. Срок службы составляет 15-25 лет.

6. Комфорт. Тепловой насос работает бесшумно (не громче холодильника), а погодоза-висимая автоматика и мультизональный контроль создают желаемый микроклимат в помеще-ниях. Использование в летний период в качестве кондиционера.

7. Универсальность. Использует (утилизирует) рассеянное тепло естественного (тепло-вая энергия воды, воздуха, почвы) или техногенного происхождения (тепло промышленных и сточных вод, вентиляционных труб и дымовых газов, технологических процессов и т.д.). Сов-местим с любой циркуляционной системой отопления и вентиляции. Современный дизайн позволяет устанавливать в любых помещениях. Широкий диапазон мощностей.

1.2 Основные характеристики бытовых тепловых насосов для автономных систем теплоснабжения

В качестве основного показателя эффективности теплового насоса используется коэф-фициент преобразования (Coefficient of Performance) [25]:

СОР=QT/N,

где QT — тепловая энергия, передаваемая ПВТ, N — затраченная электроэнергия.

Чем выше СОР, тем эффективнее тепловой насос. Коэффициент преобразования зависит от:

 - разности температур ИНТ и ПВТ (чем она выше, тем ниже СОР),

 - термодинамических свойств хладагента,

 - особенностей термодинамического цикла,

 - технического совершенства конструкции теплового насоса.

В зависимости от этих факторов значения СОР колеблются от 2,5 до 5.

Так, система тепловых насосов geoTHERM фирмы Vaillant включает в себя ассортимент изделий, способный обеспечить любое необходимое системное решение при индивидуальном подходе. .

Тепловой насос geoTHERMтипа "рассол/вода" (мощностью от6 кВт до46 кВт) и тепло-вой насос типа "вода/вода" (мощностьюот8 кВтдо64 кВт) предназначены для отопления и, при комбинации с емкостным водонагревателем косвенного нагрева, для приготовления горя-чей воды, имеют следующие определяющие контсруктуивные характеристики (табл.1.1):

– Встроенный насос системы отопления и контура источника тепла;

– Безопасный хладагент R 407 C;

– Современный, с большим сроком службы, спиральный компрессор для тепловых насосов;

– Управляемый в зависимости от погоды регулятор энергобаланса с большим дисплеем для графического отображения;

– Дополнительный электроподогрев с возможностью регулирования на 2/4/6/9 kW;

– Кратчайшее время монтажа благодаря компактной конструкции;

– Трёхходовой переключающий клапан для подготовки горячей воды;

–Тихая работа за счет использования многослойной шумоизоляции;

– Расширительный бак солевого контура и предохранительный клапан в комплектк поставки;

Таблица 1.1 Характеристики бытовых тепловых насосов geoTHERM фирмыValiant [37]

Таблица 1.2 Основные характеристьики тепловых насосов фирмы NIBE AB [36]

Таблица 1.3 Основные характеритсики тепловых насосов Vector [34]

1.3 Исследование конкурирующих видов тепловых насосов для автономных систем теплоснабжения

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7