Файл: 1 использование тепловых насосов в системах теплоснабжения зданий и сооружений.pdf

12
Контур размещается вертикально в пробуренную вертикальную скважину, или несколько таких скважин (рис. 2.3).
Глубина скважин и погонные метры контура, зависит от объёма обогреваемой площади и состава грунта. Этот способ применяется в случаях, когда площадь земельного участка не позволяет уложить контур горизонтально или угроза повреждения ландшафта.
Рис 2.3 Отбор теплоты от грунта
с вертикальным замкнутым контуром
Такой способ, требует бурения скважины на достаточную глубину (50 -140 метров) или нескольких таких скважин. В скважину опускается U-образный груз с двумя пластиковыми трубками, составляющими контур. Трубки заполняются антифризом. По экологическим соображениям это 30% раствор этилового спирта. При недостаточной длине скважины, или попытке получить от грунта более высокую мощность, то вода и даже антифриз могут замёрзнуть, что и ограничивает максимальную тепловую мощность таких систем. Ориентировочно на 1 погонный метр скважины приходится в год 50 кВт*ч тепловой энергии. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходима скважина глубиной около
200 м. Нецелесообразно бурить на глубину 200 метров, дешевле сделать несколько скважин меньшей глубины через 10-20 метров друг от друга.

13
Рис. 2.4. Схема работы геотермального теплового насоса замкнутого
типа с вертикальным контуром.
2.2 Тепловой насос вода-вода.
2.2.1 Геотермальный тепловой насос замкнутого типа для отбора теплоты
от водоема.
Контур такой системы разме- щается волнисто или кольцами в водоем (озеро, пруд, река) ниже глубины промерзания (рис 2.5).
Это самый экономичный вариант.
При использовании в качестве источника тепла близлежащего во- доёма контур укладывается на дно.
Рис 2.5 Отбор теплоты от водоёма с геотер-
мальным тепловым насосом замкнутого типа.
Глубина не менее 2х метров, зависимо от геграфической широты мест- ности. Коэффициент преобразования энергии тепловым насосом такой же, как при отборе тепла от грунта. Ориентировочное значение тепловой мощно- сти на 1 м трубопровода - 50 Вт. Таким образом, для установки теплового на-

14 соса производительностью 10 кВт необходимо уложить в озеро контур дли- ной 200 м. Чтобы трубопровод не всплывал, на 1пог.м. устанавливается око- ло 5 кг груза.
Рис. 2.6. Схема работы геотермальный теплового насосазамкнутого
типа для отбора теплоты от водоема.

15
Бурится две скважины на расстоянии 10-
20м. друг от друга. Далее, из одной сква- жины вода поднимается на поверхность, там стоит система теплового насоса, ко- торая производит теплообмен. Отбираем у проходящей воды 3-4 градуса, а потом вода сливается во вторую скважину
(рис.2.7). Глубина скважин определяется глубиной залегания водоносных слоев, а так же, дебетом таких скважин.
Рис 2.7Отбор теплотыгрунтовых
водс геотермальным тепловым на-
сосомоткрытого типа.
Для получения мощности аналогично той, что мы рассматривали в предыду- щих примерах, необходимо обеспечивать перекачку воды в объеме 1,2-2 куб. м/час. Скважины располагаются таким образом, чтобы вода не попадала в повторную обработку, для этого, сливная скважина бурится ниже по течению заборной.Схема работы геотермального теплового насоса открытого типа с отбором тепла грунтовых вод представлена на рис. 2.8.
Рис. 2.8. Схема работы геотермального теплового насоса открытого
типа с отбором теплоты грунтовых вод.
2.2.3Геотермальный тепловой насосоткрытого типа для отбора тепловой
энергии подземных вод.

16
Одна и та же скважина, может быть как эксплуатационной, так и нагнетательной. В нижнюю часть скважины помещается на- сос, посредством которого вода из скважи- ны подается к испарителю теплового насо- са. Обратная вода возвращается в верхнюю часть водяного столба в ту же скважину
(рис. 2 .9). Обычно скважины такого типа используются и для снабжения здания питьевой водой.
Рис 2.9Отбор теплотыподземных
водс геотермальным тепловым насосом
открытого типа.
Однако такая система может работать эффективно только в почвах, кото- рые обеспечивают постоянную подпитку скважины водой, что предотвраща- ет ее замерзание.
Рис. 2.10. Схема работы геотермального теплового насоса открытого
типа с отбором тепловой энергии подземных вод.
2.3. Тепловой насос воздух-вода

17
Тепловой насос воздух вода – оборудова- ние, предназначенное для извлечения тепла из атмосферного воздуха, дальнейшего использо- вания в системах горячего водоснабжения и отопления зданий.
Такие тепловые насосы легки в установке, не требуют бурения скважин и прокладки труб.Конструкция данного вида оборудования может быть выполнена в виде сплит-системы либо моноблока.
Рис 2.11 Отбор теплотыиз
атмосферного воздуха.
Сплит-система состоит из двух блоков – наружного и внутреннего, ко- торые соединяются коммуникациями. Наружный блок укомплектован венти- лятором и испарителем, он устанавливается в небольшом удалении от дома.
Внутренний блок содержит конденсатор и автоматику, его монтируют внут- ри дома.
Рис. 2.10. Схема работы теплового насоса открытого типа с отбором
теплоты из атмосферного воздуха.
По универсальности применения климатических условия северных широт, этот тип насосов пока проигрывает другим типам насосов. Хотя сами насосы

18 дешевле, и прокладки труб или бурения скважин не требуется, но из морозного воздуха толку то мало. Поэтому такие тепловые насосы рекомендуется использовать только в южных широтах, где максимальная температура зимой не опускается ниже -15° С.
3. Основные положения и особенности проектирования систем
теплоснабжения
с тепловыми насосами.

19
При проектировании зданий и сооружений с применением энергосберегающих технологий, в том числе с применением тепловых насосов, использующих теплоту вторичных энергетических ресурсов и нетрадиционных источников энергии, необходимо рассматривать объект как единое целое. На ранних стадиях проектирования необходимо добиваться согласованности технических решений по архитектуре, конструкции и инженерным системам с целью выбора оптимальных схем внедрения энергосберегающих технологий, обеспечивающих минимальные сроки окупаемости дополнительных капитальных затрат.
Теплонасосные системы теплоснабжения проектируются для каждого конкретного объекта в зависимости от энергетических нагрузок, почвенно- климатических условий района строительства и стоимости энергоносителей.
Использование теплоты окружающего воздуха и солнечной энергии в качестве единственных источников низкопотенциальной теплоты малоэффективно, но в сочетании с другими, более стабильными, источниками (например, теплотой грунта) вполне возможно.
При проектировании конкретных объектов необходимо проанализировать геологические данные по участку застройки и, при необходимости (как правило, для крупных объектов), произвести разведочное бурение.
Решение об использовании энергосберегающих теплонасосных систем целесообразно принимать на стадии разработки и утверждения задания на проектирование [5].
Предпосылками для применения таких систем могут служить следующие обстоятельства:
- удаленность от систем централизованного теплоснабжения;
- ограничение в использовании электроэнергии для прямого нагрева при теплоснабжении;
- наличие вторичных энергетических ресурсов (вентиляционных выбросов, сбросной теплоты технологических процессов, серых канализационных стоков и т.п.);
- наличие холодильной нагрузки;
- относительно низкий температурный потенциал тепловых нагрузок
(напольное отопление, вентиляция, подогрев воды в бассейнах и т.п.);
- большой объем требований технических условий на подключение к внешним источникам теплоснабжения.
Этапы проектирования обязательно должны содержать стадию технико- экономического обоснования(ТЭО).

20
На этой стадии наряду с архитектурой должны быть достаточно глубоко проработаны инженерные разделы, согласованы различные инженерные системы между собой и с теплонасосной системой теплоснабжения в части использования вторичных энергетических ресурсов и покрытия различных тепловых нагрузок с учетом графиков их изменения во времени.
Теплонасосные системы теплоснабжения (ТСТ), как правило, состоят из системы сбора низкопотенциального тепла, собственно тепловых насосов и традиционных источников тепловой энергии для покрытия пиковых нагрузок. В некоторых случаях применяются аккумуляторы тепловой энергии. Такие схемы, как правило, применяются для систем горячего водоснабжения с целью выравнивания суточной неравномерности потребления горячей воды.
Системы сбора низкопотенциального тепла представляют собой различные теплообменные аппараты, утилизирующие вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) и нетрадиционные возобновляемые источники энергии (НВИЭ) и включенные в единый с испарителями тепловых насосов контур, по которому циркулирует теплоноситель. Если по режимным параметрам температура в этом контуре может быть ниже 0 °С, то в качестве теплоносителя используются антифризы, например, на основе водных растворов этиленгликоля. Система должна постоянно обеспечивать испарители тепловых насосов низкопотенциальной тепловой энергией. В связи с этим в системе целесообразно комбинировать различные виды низкопотенциальных источников теплоты.
Тепловые насосы, как наиболее дорогое оборудование, подбираются по мощности на величину базовых нагрузок по графику их изменения. Это обеспечивает максимальное использование тепловых насосов и более стабильный режим их работы.
Для обеспечения надежности работы системы в схеме предусматривается несколько агрегатов, за исключением случаев, когда надежность агрегатов обеспечивается их внутренним устройством.
В качестве дополнительных традиционных источников тепловой энергии, предназначенных для покрытия пиковых нагрузок, целесообразно применять нагреватели, легко поддающиеся автоматизации работы, например, электрические или газовые. Нагреватели могут устанавливаться по отношению к тепловым насосам как параллельно (со смешиванием потоков теплоносителя), так и последовательно (догревание теплоносителя).
На стадии ТЭО необходимо рассмотреть комплекс традиционных мероприятий по энергосбережению:
- рациональные архитектурно-планировочные решения по конфигурации

21 зданий и сооружений и расположению их на местности;
- применение энергосберегающих ограждающих конструкций;
- использование энергосберегающей системы вентиляции, в том числе с возможностью рекуперативного подогрева приточного воздуха вытяжным;
- создание рациональной системы отопления с применением автоматизированных узлов управления и учета тепловой энергии;
- установка экономичных устройств водоразбора в системе горячего водоснабжения с применением регуляторов давления;
- применение энергоэкономичных светильников и других электроприборов, устройств для частотного регулирования электрических машин и т.п.
Целесообразно рассмотреть 2-3 варианта схем ТСТ для выбора наиболее оптимального решения. Принципиальные схемы ТСТ выбираются на основе тепловых и технико-экономических расчетов.
Одной из основных проблем, решаемых при проектировании теплонасосных систем теплоснабжения, является проблема выбора установленной тепловой мощности системы.
Выбор установленной мощности должен производиться на основе технико-экономического расчета, рассматривающего наряду с энергосберегающей теплонасосной системой теплоснабжения все здание или сооружение со всеми инженерными системами.
Специфика эксплуатационных особенностей теплонасосных систем теплоснабжения, использующих низкопотенциальное тепло грунта, существенно влияет на эффективность дальнейшей эксплуатации рассматриваемых систем. Отбор (или сброс) тепловой энергии из грунтового массива в процессе эксплуатации системы теплосбора может вызывать значительные изменения температуры грунта в годовом цикле относительно его естественной. Это в значительной степени осложняет задачу прогнозирования теплового поведения системы теплосбора в годовом цикле и вынуждает использовать при проектировании систем теплосбора сложные пространственные математические модели, учитывающие процессы распространения тепла по трем координатным осям.
В результате проведенных на компьютерных моделях исследований по оценке эксплуатационных воздействий систем теплосбора на естественный температурный режим грунта было установлено, что эксплуатация характеризуется тремя основными периодами.
Первый период, с начала отопительного сезона продолжительностью до
200 часов (8 суток), характеризуется ярко выраженной нестационарностью теплового режима грунтового массива и, вследствие этого, значительными