ОТОПЛЕНИЕ ДОМА С ПОМОЩЬЮ ГЕОТЕРМАЛЬНОГО ТЕПЛОВОГО НАСОСА

Геотермальными тепловыми насосами называются заземленные насосы с наземным или водяным источником. Они используют постоянную температуру земли в качестве среды обмена вместо температуры окружающей среды.

Для многих регионов мира характерны сезонные колебания температур, земля всегда сохраняет относительно постоянную температуру. В зависимости от широты, температура земли колеблется от +7 ° C до +21 ° C

Температура земли всегда выше температуры воздуха в зимний период и ниже температуры окружающей среды в летние месяцы, что используется геотермальным тепловым насосам при теплообмене с землей через заземляющий теплообменник.

Тепловые насосы с геотермальными и водными источниками могут нагревать, охлаждать и снабжать дом горячей водой наравне с другими тепловыми насосами. Некоторые модели геотермальных систем доступны с двухскоростными компрессорами и переменными вентиляторами для большего удобства и экономии энергии. Относительно тепловых насосов с воздушным источником они более тихие, долговечные, не требуют частого технического обслуживания и их работе не зависят от температуры окружающей среды. [1]

Тепловой насос с двумя источниками оснащен насосом с воздушным источником и геотермальным тепловым насосом, имеют большую эффективность. Основным преимуществом систем с двумя источниками является довольно низкая стоимость, по сравнению с геотермальными насосами.

Несмотря на то, что стоимость установки геотермальной системы может быть в несколько раз выше, чем у системы с воздушным источником с одинаковой мощностью нагрева и охлаждения, дополнительные затраты компенсируются с помощью экономии энергии примерно через 5-10 лет. Срок службы системы составляет 25. Схема подключения представлена на рисунке 1.

Рисунок 1.Схема подключения геотермального теплового насоса

Система включает следующие элементы:

1. Подсистема подключения заземления. Используя землю в качестве источника тепла, серия подключенных труб, обычно называемая «сваей», зарывается в землю возле здания. Сваю можно поместить вертикально или горизонтально. Жидкость (вода или смесь воды и антифриза) циркулирует, поглощая или отдавая тепло окружающей среде.

2. Подсистема теплового насоса. Для нагрева насосом используется температура земли, тем самым тепло передается жидкости, которая концентрируется, а затем передается в здание. Для охлаждения процесс обратный.

3. Подсистема распределения тепла. Обычные воздуховоды обычно используются для распределения нагретого или охлажденного воздуха от геотермального теплового насоса по всему зданию.

При выборе теплового насоса важной характеристикой является коэффициент преобразования – COP, который показывает, во сколько раз тепловой насос производит больше энергии, чем потребляет сам.

На базе вышеизложенного материала можно представить модель отопления, а также горячего водоснабжения для загородного дома на две семьи (рис. 2) в зимний период (расчётная наружная температур 25°С) с помощью геотермального теплового насоса. Дом построен из кирпича и утеплён пенопластам, в качестве окон используется тройной стеклопакет, всё это даёт низкий коэффициент потерь тепла. В качестве системы отопления будем использовать водяной теплый пол, в котором температура теплоносителя для отопления дома равна 35°С, данная температура даёт максимальный показатель COP теплового насоса.

Рисунок 2. План дома

Площадь жилого помещения дома составляет 115.88 м², высота потолков 2,7 м. Для определения тепловой мощности воспользуемся формулой (1) в которой учитываются утечки тепла через окна, потери тепла через стены, соотношение окон и пола, температуру вне помещения, количество выходящих наружу стен, тип помещения располагаемое над отапливаемым, а также высоту потолка [3].

                       (1)

где: q – удельная величина потерь тепла (q=100 Вт/м²);

S – площадь комнаты, м²;

К₁ – коэффициент утечки тепла через окна (для тройного стеклопакета К₁=0,85);

К₂ – коэффициент потерь тепла от стен (для высокой теплоизоляции К₂=0,854);

К₃ – коэффициент определяющий соотношение окон и пола (при 10% К₃=0,8; при 20% К₃=0,9);

К₄ – коэффициент температуры вне помещения (при -25°С К₄=1,3);

К₅ – коэффициент учитывающий количество выходящих наружу стен (при одной стене К₅=1,1; при двух К₅=1,2);

К₆ – коэффициент учитывающий тип теплоизоляции помещения, которое располагаемое сверху над отапливаемым (при неотапливаемом чердаке К₆=1,0);

K₇ – коэффициент учитывающий высоту потолков (при высоте потолка 2,7м К₇=1,02).

Подставляем данные для нашего дома в формулу и получим:

.

Для учёта потерь тепла из-за инфильтрации, а так же для более большей надёжности полученное значение тепловой мощности необходимо увеличить на 20 %, получаем 12808,1 Вт. Также необходимо учесть расходы на нагрев горячей воды для удовлетворения бытовых нужд. Для нагрева 50л воды до 45°С необходимо 350 Вт тепловой мощности. Таким образом, для шестерых человек получаем [4]:

                                         (2)

Таким образом по полученным значениям (1) и (2) полная мощность теплового насоса равна:

              (3)

По полученному значению тепловой мощности подбираем модель теплового насоса. На российском и белорусском рынке зарекомендовали тепловые насосы российского производства HENK, из модельного ряда которого для наших нужд подходит модель HENK 200 H с тепловой мощностью 14400 Вт и значением COP=4,5.

Далее необходимо выбрать вид геотермального теплообменника. Существует множество вида конструкций теплообменников для получения теплоты, которые можно классифицировать по трём основные группам: 1.Горизонтальный теплообменник; 2. Вертикальный теплообменник “зонд” (представлен на рисунке 3); 3. Теплообменник типа “корзина” и “спираль”.

Для данного проекта выберем вертикальный грунтовый теплообменник. Данный вид теплообменника является более дорогим, но при этом температура грунта будет постоянной на протяжении всего года, а также сам теплообменник будет занимать меньше площади.

Рисунок 3. Вертикальный геотермальный теплообменник

Необходимо определить снимаемую мощность грунтового теплообменника теплового насоса, которая вычисляется относительно мощности и COP выбранного теплового насоса по формуле [5]:

где:  – номинальная мощность теплового насоса;

COP – коэффициент преобразования.

Расчёт применяется для одного из режимов согласно стандарту EN 14511 (где 0°С – температура теплоносителя, 35°С – температура подачи в систему отопления)

                          (3)

Длина вертикального грунтового теплообменника находиться по следующей формуле:

где:  – теплосъём (принимаем равным 50 Вт/м);

Будем использовать три скважины длиной 75 м каждая. Расстояние между каждой скважиной должно быть не менее 6 м. В скважину помещаем пластиковые трубы диаметром 32 мм.

Для конечной реализации данного проекта понадобятся: 1. Геотермальный тепловой коллектор HENK 200 H (цена 5150$); 2. Насос циркуляционный для отопления (196$); 3. Насос циркуляционный земного контура (216$); 4. Трёхходовой вентиль электромагнитный (80$); 5) Буферный бак на 500 л с уплотнением (480$); 6) Бойлер водонагревательный на 150 л из нержавеющей стали (590$); 7) Коллектор (300$); 8) Теплоизоляция (120$); 9) Два расширительных бака (120$); 10) Материалы для монтажа (80$); 11) Шесть наконечников зонда геотермального насоса (120$); 12) Пластиковые трубы 32 мм (225$); 13) Этиленгликоль (970$); 14) Бентонит (180$); 15) Бурение скважин (4500$); 16) Монтаж (1000$).

Общая стоимость оборудования, а также его наладка обойдётся в 14327$. Данная система отопления позволяет полностью отказаться от газа, и так как цены на природный газ с каждым годом растут, то с каждым годом окупаемость данного проекта будет уменьшаться.

Список литературы:

1. Васильев Г. П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхности слоёв земли / Васильев Г. П. –Москва: Граница, 2006. – 176 с.
2. Трубаев П. А. Тепловые насосы / П. А. Трубаев, Б. М. Гришко. – Белгород: Изд-во БГТУ им. В. Г. Шухова, 2009. – 142 c.
3. Самостоятельные расчёт тепловой мощности [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.komplektacya.ru/raschet-teplovoj-moschnosti (дата обращения 17.03.18).
4. Выбор и расчёт теплового насоса [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.energya.by/vyibor-i-raschet-teplovogo-nasosa (дата обращения 20.03.18).
5. Грунтовые теплообменники для геотермального теплового насоса [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://solarsoul.net/gruntovye-teploobmenniki-dlya-geotermalnogo-teplovogo-nasosa (дата доступа 21.03.18).