тепловые насосы. опыт внедрения в нижегородской области

УДК 621.577.2
Крюкова А.О., магистрант
ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ. ОПЫТ ВНЕДРЕНИЯ В НИЖЕГОРОДСКОЙ
ОБЛАСТИ
Проведены исследования применимости тепловых насосов для
отопления здания в осенне-зимний период, зависимости температуры
грунта в скважине вертикального зонда от тепловой нагрузки насоса,
коэффициента эффективности (СОР) при разных нагрузках в режимах
отопления подогреваемым полом и горячего водоснабжения. Сделан вывод
о достаточности примененной модели для отопления помещения до 100
кв.м и горячего водоснабжения круглогодично. Для облегчения пиковой
нагрузки теплового насоса рекомендовано применить дополнительное
тепловое устройство.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ТЕПЛОВОЙ НАСОС, ИСТОЧНИК
НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ, ТЕПЛОПЕРЕДАЧА ГРУНТА,
БУРИЛЬНЫЕ РАБОТЫ, ТЕПЛООТДАЧА ЗОНДА, КОЛЕБАНИЯ
ТЕМПЕРАТУРЫ ГРУНТА, КОЭФФИЦИЕНТ ЭФФЕКТИВНОСТИ СОР.
Одним из эффективных способов энергосбережения на объектах
сельского хозяйства является использование низкопотенциальной
тепловой энергии с помощью тепловых насосов (ТН).
При практической реализации необходимо учитывать следующие
параметры:
- наличие источника низкотемпературного тепла (ИНТ)
- геометрию системы ИНТ
- стабильность ИНТ
- температурный режим системы ИНТ – потребитель
- условия режима с наибольшим кпд
Источником ИНТ может быть грунт, водоем, воздух, любое
физическое тело. На практике наиболее удобно использовать водоемы, т.к.
в этом случае затраты на размещение зонда ИНТ наименьшие. U-образную
трубу зонда опускают в воду на глубину, большую глубины промерзания,
где температура воды не опускается ниже +4оС.
При отсутствии вблизи водоема используют отбор тепла от грунта в
двух вариантах: при горизонтальном расположении приемника в грунте и с
вертикальным – в пробуренных скважинах.
Первый вариант дешевле и время его выполнения меньше, поскольку
требует траншей с глубиной около 1,5-2 метров. Зонды теплосъемника
укладывают и засыпают грунтом. Существенный недостаток такого
варианта – большие геометрические размеры системы, поскольку от них
зависит величина максимального отбора тепла.
Теплопередача грунта в приповерхностном слое сильно зависит от
состава грунта и внешних условий. В худших условиях каменистого песка
в затененных местах отбор тепла составляет 8-12 Вт на метр длины зонда.
Влажный, илисто-песчаный грунт при регулярном солнечном облучении
отдает 20-30 Вт/м. Песчаный водоносный грунт при ежедневном солнце
отдает 35-40 Вт/м [1]. Таким образом, общая длина зонда при
горизонтальном расположении необходима в пределах от 1200м до 300м.
Необходимо отметить, что при таком расположении зонда изменение
температуры грунта летом и зимой приводит к большим колебаниям
эффективности всей системы. Другой недостаток горизонтального
расположения зондов – невозможность использовать участок земли над
зондом для строительства или высадки деревьев.
Вертикальное расположение зонда для отбора тепла обеспечивает
более стабильные условия вследствие постоянства температуры на
большой глубине. В пробуренную скважину опускается U-образный зонд и
заливается бентонитовым раствором, чтобы улучшить тепловой контакт с
грунтом и предотвратить подвижку труб и осыпание скважины.
Использование современных пластмассовых труб для зонда обеспечивает
их длительную работу. Площадь для такого зонда требуется минимальная.
Теплоотдача зонда 50 Вт на метр длины [1], т.е. для отбора
мощности 12 кВт требуется скважина глубиной 120 метров. Для
облегчения бурильных работ вместо одной делают 2-3 параллельных
скважины на глубину 50-60м.
Существуют воздушные тепловые насосы с отбором тепла из
воздушной среды посредством вентилируемого радиатора, однако
дешевизна
первичного
контура
перечеркивается
практической
невозможностью использования в зимние месяцы.
В загородном коттеджном поселке «Усадьба Каменки» Борского
района Нижегородской области в 2012-2013 годах был проведен
эксперимент с установкой системы отопления здания с использованием
геотермального теплового насоса NIBE F1245-8 R (Рис.1). Источником
низкотемпературного тепла является зонд в скважине глубиной 90 метров,
носитель – вода с добавлением полипропиленгликоля.
Рис. 1 Внешний вид насоса NIBE F1245-8-R с накопительным
резервуаром горячей воды.
Исследовались следующие параметры системы.
Замерялась температура грунта в теле зонда в летние и зимние
периоды и ее зависимость от мощности отбора тепла. В момент запуска
скважины температура в ней была +7оС, после включения температура
линейно снижалась до апреля, затем, после снятия основной нагрузки на
тепловой насос, линейно возрастала до +6оС (Рис.2). Зависимость
объясняется конечной теплопроводностью грунта и экспериментальной
нагрузкой на тепловой насос, составлявшей около 10 кВт, что больше
паспортной.
Град.С
7,5
7
6,5
6
5,5
5
4,5
4
3,5
3
в.
14
ян
я.
1
н.
13
но
л.
1
3
се
.1
3
ию
.1
3
ма
й
в.
13
ма
р
я.
1
2
ян
но
н.
12
се
ию
л.
1
2
3
Рис.2 Временная зависимость температуры грунта от нагрузки на
тепловой насос.
Из графика можно сделать вывод, что время релаксации грунта по
температуре составляет около 5 месяцев.
В ходе эксперимента оценивалась эффективность теплового насоса
при температуре в помещении +20оС, на улице от 0оС до –20оС с
обогревом теплым полом. Площадь помещения 72 кв.м, высота 2,8м.
Коэффициент СОР (отношение отдаваемой насосом тепловой
мощности к мощности, потребляемой самим насосом) составлял от 5 при
0оС на улице при отдаваемой мощности 6 кВт до 4,5 при –20оС и
отдаваемой мощности 10,5 кВт, температура воды на отопление теплого
пола менялась соответственно от +25оС до +40оС.
Коэффициент СОР проверялся также при использовании горячего
водоснабжения с температурой воды до +50оС, он составлял 3,8 при
отдаваемой мощности 8 кВт.
Превышение тепловой мощности на 2 кВт в сравнении с паспортной
в 8,3 кВт объясняется тем, что паспортная мощность регламентируется при
температуре зонда 0оС, а реальная температура составляла от +5,5 до +6оС.
В результате исследования установлено, что мощности данной
модели теплового насоса достаточно для использования при отоплении
помещения площадью до 100 кв.м и горячего водоснабжения в зимнее
время, однако устройство работало в пиковые холодные дни с предельной
нагрузкой в 10,5 кВт при паспортной мощности 8,3 кВт. Для облегчения
режима рекомендовано при температурах наружного воздуха ниже –20оС
использовать дополнительный тепловентилятор мощностью 2 кВт, что
облегчит режим работы теплового насоса и уменьшит колебания
температуры грунта в скважине, что дополнительно повысит
эффективность работы теплового насоса.
Список литературы:
1. Технические правила (нем.) Technische Regel VDI 4640 Blatt
2:2001-09
http://www.vdi.de/technik/fachthemen/energie-und
umwelt/fachbereiche/energiewandlung-und-anwendung/richtlinien/vdi4640/richtlinienreihe-vdi-4640-thermische-nutzung-des-untergrunds/