Методика расчета тепловой насосной установки

Энергетический баланс ТН записывается следующим образом:

Q_конд = Q_исп + N_комп (2.1)

где - Q_конд - теплота, отводимая от конденсатора;

Q_исп - теплота, подводимая к испарителю;

N_комп – мощность, потребляемая компрессором.

Коэффициент преобразования энергии (КПЭ) ТН определяется по формуле:

φ = Q_конд/N_комп = α × Т_конд/(Т_конд - Т_исп) (2.2)

где - Т_конд - температура рабочего тела на выходе из конденсатора;

Т_исп - температура рабочего тела на выходе из испарителя;

α - суммарный коэффициент потерь ТН (потери цикла, потери в компрессоре, потери от необратимости при теплопередаче и т.п.).

В качестве низкопотенциальных (низкотемпературных) источников теплоты могут использоваться:

а) нетрадиционные возобновляемые источники энергии (НВИЭ):

– теплота окружающего воздуха;

– теплота грунтовых и геотермальных вод;

– теплота водоёмов и природных водных потоков;

– теплота солнечной энергии и т. п.

– теплота поверхностных и более глубоких слоев грунта.

б) вторичные энергетические ресурсы (ВЭР):

– теплота вентиляционных выбросов;

– теплота канализационных стоков;

– теплота технологических процессов и т.п.

Грунтовые воды – хороший аккумулятор солнечного тепла. Даже в холодные зимние дни они сохраняют постоянную температуру +7 - +12 ºС. В этом их преимущество. По причине неизменного температурного уровня источника тепла коэффициент преобразования энергии (КПЭ) теплового насоса остается высоким в течение всего года. К сожалению, не везде имеется достаточное количество грунтовых вод надлежащего качества. Но там, где выполняются необходимые условия, грунтовые воды стоит использовать.

Грунтовые и подземные воды обладают достаточно высокой теплоотдачей и имеют постоянную температуру, что обеспечивает эффективность и стабильность режимов работы тепловых насосов. Для утилизации теплоты создаётся циркуляционный контур: вода из грунта подаётся в теплообменник, связанный с испарителем теплового насоса, охлаждается и закачивается обратно в грунт. Однако использование этих источников связано с более интенсивным вмешательством в гидрологический режим недр и требует согласования с соответствующими службами.

На рисунке 17 приведена ТНУ, использующая в качестве низкопотенциального теплоносителя грунтовые воды.

 

1 - возвратная скважина; 2 - заборная скважина; 3 - тепловой насос; 4 – обратный клапан; 5 –глубинный насос

 

Рисунок 17. Теплонасосная система теплоснабжения, использующая теплоту подземных вод в качестве ВИЭ

 

Контур отбора тепла из водоема может быть открытым или закрытым. В первом случае вода из водоема перекачивается через охладитель, охлаждается и возвращается в водоем (рис. 4). Такая система требует фильтрации подаваемой в охладитель воды и периодической чистки теплообменника. Как правило, устанавливается промежуточный разборный теплообменник. Забор и возврат воды должны осуществляться в направлении потока грунтовых вод, чтобы исключить «байпасирование» воды. Заборная магистраль должны быть с обратным клапаном (4), располагаемым в точке забора или после глубинного насоса (5). Подвод и отвод грунтовых вод к тепловому насосу должен быть защищен от замораживания и прокладывается с наклоном в сторону скважины.

Расстояние между заборной (2) и возвратной (1) скважинами должно быть не менее 5 м. Точка выхода воды в возвратной скважине должна быть ниже уровня грунтовых вод.

Подземные воды, так же как и поверхностные слои земли, могут быть использованы в качестве источника тепла для индивидуальных домов, многоквартирных зданий и районных котельных. Температура подземных вод обычно является постоянной на глубине 15-20 м, и для большинства климатических регионов Республики Казахстан составляет 6-10 °С.

Для извлечения тепла подземных вод используются обычные методы бурения скважин диаметром 10-20 см, глубиной 50-150 м.

Как и при использовании озерной воды, применяются два различных принципа сбора тепла. В одном случае замкнутая трубопроводная система опускается в скважину. В таком коллекторе циркулирует теплоноситель, который извлекает тепло из подземной воды и переносит его в испаритель теплового насоса.

Для небольшого теплового насоса мощностью около 10 кВт, который может использоваться для индивидуальных домов, требуется расход подземного потока около 1-2 м3/час (в зависимости от температуры).

В другом варианте подземная вода закачивается непосредственно в испаритель, и после охлаждения сбрасывается в специальную скважину, достаточно далеко от места забора, чтобы исключить охлаждение источника подземной воды.

При использовании грунтовых и подземных вод в качестве источника низкопотенциального тепла для ТСТ необходимо учитывать риск нарушения их гидрологического и экологического баланса.

Возможности использования тепловых насосов на грунтовых и подземных водах ограничены территориями, где температура этих вод меньше +4,5 °С.

На использование грунтовых вод должно быть получено разрешение соответствующего ведомства (обычно службы госводонадзора). Для использования тепла грунтовых и подземных вод необходимо построить колодец и дренаж. Для работы тепловых насосов при определенных условиях могут использоваться озера и реки, т.к. они тоже выступают в роли аккумуляторов тепла. В этом случае следует предусмотреть промежуточный контур.

При проектировании зданий и сооружений с применением энергосберегающих технологий, в том числе с применением тепловых насосов, использующих теплоту ВЭР и нетрадиционных источников энергии, необходимо рассматривать объект как единое целое.

ТСТ проектируются для каждого конкретного объекта в зависимости от энергетических нагрузок, почвенно-климатических условий района строительства и стоимости энергоносителей.