Calcularea și proiectarea pompelor de căldură
Cum se calculează și se alege o pompă de căldură.
După cum se știe, pompe de căldură pot folosi gratuit, energie regenerabilă: căldură grad scăzut de aer, sol, ape subterane, rezervoare de apă cu gheață în aer liber, de canalizare și apă de defect și aer, precum și companiile de tehnologie de căldură deșeuri. Pentru a colecta această energie se consumă, dar raportul dintre cantitatea de energie termică primită și cantitatea de energie electrică consumată este de aproximativ 3-7 ori.
Dacă vorbim numai despre sursele de căldură cu potențial scăzut care ne înconjoară pentru a fi folosite în scopuri de încălzire, acest lucru; Temperatura exterioară a aerului de la -3 până la +15 ° C, aer (15-25 ° C), subsol (4-10 ° C) și apă (10 ° C) apă, lac și apă râu (5-10 ° C), suprafața solului (sub punctul de îngheț) (3-9 ° C) și adâncimea terenului (mai mult de 6 m - 8 ° C).
Selecția căldurii din mediul înconjurător (cartierul interior).
Agentul frigorific de lucru lichid este pompat în vaporizator, la presiune scăzută. Nivelul termic al temperaturilor din jurul vaporizatorului este mai mare decât punctul de fierbere corespunzător al mediului de lucru (agentul frigorific este ales astfel încât să poată fierbe chiar și la temperatura minus). Datorită acestei diferențe de temperatură, se transferă căldura mediului, mediul de lucru care, la aceste temperaturi, se fierbe și se evaporă (se transformă în abur). Căldura necesară pentru aceasta este selectată din oricare dintre sursele de căldură cu potențial scăzut de mai sus.
Mai multe detalii despre sursele regenerabile de energie
Dacă aerul atmosferic sau aerul de ventilație este ales ca sursă de căldură, se utilizează pompe de căldură care funcționează conform schemei "aer-la-apă". Pompa poate fi amplasată în interiorul sau în exteriorul camerei, cu un condensator încorporat sau la distanță. Aerul este suflat prin schimbătorul de căldură (vaporizator) cu un ventilator.
Tipuri de schimbătoare de căldură orizontale:
- schimbător de căldură de la țevi conectate în serie;
- schimbător de căldură din țevi paralele;
- colector orizontal, așezat într-un șanț;
- schimbător de căldură în formă de buclă;
- schimbătorul de căldură sub formă de spirală amplasată orizontal (așa-numitul colector "slinky");
- schimbător de căldură în formă de spirală, situat vertical.
Sistemele deschise sunt mai des folosite pentru furnizarea de căldură sau rece a clădirilor mari. Cel mai mare sistem de căldură geotermală din lume utilizează apa subterană drept sursă de energie termică redusă. Acest sistem este situat în SUA în Louisville, Kentucky. Sistemul este utilizat pentru alimentarea cu căldură și frig a hotelului și a complexului de birouri; capacitatea sa este de aproximativ 10 MW.
Luăm o altă sursă - un iaz, pe fundul ei este posibil să se pună balamalele dintr-o țeavă de plastic, schema "apă-apă / sistem închis". O soluție de etilenglicol (antigel) circulă prin conducte, care transferă căldură către agentul de răcire prin schimbătorul de căldură (vaporizator) al pompei de căldură.
Solul are capacitatea de a acumula energie solară pentru o perioadă lungă de timp, ceea ce asigură o temperatură relativ uniformă a sursei de căldură pe tot parcursul anului și, prin urmare, un factor de conversie ridicat al pompei de căldură. Temperatura din straturile superioare ale solului variază în funcție de sezon. Sub limita de îngheț, aceste fluctuații de temperatură sunt reduse semnificativ. Căldura acumulată în sol este extrasă prin intermediul schimbătoarelor de căldură etanșate, denumite și colectoare de teren, sau prin schimbătoare de căldură perforate vertical, așa-numitele sonde geotermale. Căldura mediului este transmisă printr-un amestec de apă și etilenglicol (soluție salină sau mediu), al cărui punct de înghețare trebuie să fie de aproximativ -13 ° C (luați în considerare datele fabricantului). Datorită acestui fapt, saramura nu îngheață în timpul funcționării.
Prin urmare, sunt posibile două opțiuni pentru obținerea căldurii cu grad scăzut de la sol. tevi din plastic pozare orizontale în adâncimea șanțului 1,3-1,7 m, în funcție de condițiile climatice sau adâncimea verticală bine de 20-100 m. Stivuirea țevi în șanț, și pot fi produse sub formă de spirale, dar cu adâncimea de stivuire 2- 4 m, aceasta va reduce semnificativ lungimea totală a tranșelor. Transferul maxim de căldură al solului de suprafață este de la 7 la 25 W. m. cu o geotermă de 20-50 W cu un m. Potrivit companiilor producătorilor, viața tranșelor și a puțurilor este mai mare de 100 de ani.
Din anul 1986, în Elveția, în apropiere de Zurich, s-au efectuat cercetări cu privire la un sistem cu schimbătoare de căldură pe sol [4]. Matricea a fost aranjată murdărie neasfaltat schimbător de căldură vertical adâncimea coaxial 105 m. Acest schimbător de căldură folosit ca o sursă de energie termică scăzută potențial pentru sistemul teplonanosnoy instalat în casă de locuit pentru o singură familie. Un schimbător de căldură verticalizat la sol a furnizat o putere de vârf de aproximativ 70 W pe metru de lungime, ceea ce a creat o încărcătură termică semnificativă asupra masivului de sol din jur. Producția anuală de energie termică este de aproximativ 13 MW • h.
La o distanță de 0,5 până la 1 m de gaura de sondă principală au fost forate două suplimentare, în care o adâncime de 1, 2, 5, 10, 20, 35, 50, 65, 85 și 105 m senzorii de temperatură sunt instalate, după care godeurile au fost umplute cu un amestec de argilă și ciment. Temperatura a fost măsurată la fiecare treizeci de minute. În plus față de temperatura solului, s-au stabilit și alți parametri: viteza agentului de răcire, consumul de energie al compresorului, temperatura aerului și așa mai departe.
Pe baza datelor experimentale s-au construit modele matematice ale proceselor din masivul solului, ceea ce a făcut posibilă o prognoză pe termen lung a schimbării temperaturii în masivul solului.
Modelarea matematică a arătat că scăderea anuală a temperaturii va scădea treptat, iar volumul de masă a solului în jurul schimbătorului de căldură supus scăderii temperaturii va crește în fiecare an. La sfârșitul perioadei de întreținere începe procesul de regenerare: temperatura solului începe să crească. Natura procesului de regenerare este similară cu natura procesului de "selecție" a căldurii: în primii ani de funcționare, temperatura solului crește brusc, iar în anii următori rata de creștere a temperaturii scade. Durata perioadei de "regenerare" depinde de durata perioadei de operare. Aceste două perioade sunt aproximativ aceleași. În cazul în cauză, perioada de funcționare a schimbătorului de căldură de la sol a fost egală cu treizeci de ani, iar perioada de "regenerare" este de asemenea estimată la treizeci de ani
Astfel, sistemele de alimentare cu căldură și de răcire a clădirilor care utilizează căldură de sol cu potențial scăzut reprezintă o sursă de energie fiabilă care poate fi utilizată peste tot. Această sursă poate fi utilizată pentru o perioadă suficient de lungă și poate fi reluată după sfârșitul perioadei de operare.
Calcularea antenei orizontale a pompei de căldură
Distanța minimă dintre țevile așezate trebuie să fie de cel puțin 0,7-0,8 m. Lungimea unui șanț poate varia de la 30 la 150 m. Este important ca lungimile circuitelor conectate să fie aproximativ aceleași. Ca agent de răcire primar, se recomandă o soluție de etilenglicol (mediu) cu un punct de îngheț de aproximativ -13 ° C. În calcule trebuie luat în considerare că căldura specifică a soluției la o temperatură de 0 ° C este de 3,7 kJ / (kg · K), iar densitatea este de 1,05 g / cm3. Când se folosește un mediu, pierderea de presiune în conducte este de 1,5 ori mai mare , decât atunci când apa circulă. Pentru a calcula parametrii circuitului primar al unei instalații de pompe de căldură, va trebui să determinați cheltuielile mediilor:
unde .t este diferența de temperatură dintre liniile de alimentare și retur, adesea presupus a fi 3 ° K. Qo este rezultatul căldurii de la sursa potențialului scăzut (sol). Valoarea din urmă se calculează ca diferența dintre puterea totală a pompei de căldură Qwp și puterea electrică consumată pentru încălzirea agentului frigorigen P.
Lungimea totală a țevilor colectorului L și suprafața totală a secțiunii de sub el A sunt calculate prin formulele:
Aici q este radiatorul specific (de la 1 m al conductei); da este distanța dintre țevi (etapa de stivuire).
Exemplu de calcul. Pompa de căldură.
Condițiile inițiale: cererea de căldură a cabanei cu suprafața de 120-240 m 2 (din calculul pierderilor de căldură cu limită de infiltrare) - 13 kW; se presupune că temperatura apei din sistemul de încălzire este egală cu 35 ° C (încălzire prin pardoseală); temperatura minimă a suportului de căldură la ieșirea la vaporizator este de 0 ° C. Pentru încălzirea clădirii, o pompă de căldură cu o capacitate de 14,5 kW este selectată din gama de echipamente tehnice existente, luând în considerare pierderile de vâscozitate ale mediului, când se selectează și se transferă energia termică din sol, este de 3,22 kW. Disiparea căldurii de pe stratul de suprafață al solului (argilă uscată), q este egală cu 20 W / m.p. În conformitate cu formulele, se calculează:
1) capacitatea termică necesară a colectorului Qo = 14,5 - 3,22 = 11,28 kW;
2) lungimea totală a țevilor L = Qo / q = 11,28 / 0,020 = 564 m.p. Pentru organizarea unui astfel de colector, vor fi necesare 6 contururi cu o lungime de 100 m;
3) la o etapă de așezare de 0,75 m, suprafața necesară a parcelei este A = 600 x 0,75 = 450 m 2;
4) umplere totală a soluției de etilenglicol Vs = 11,28 · 3600 / (1,05 · 3,7 · 3) = 3,51 m 3. într-un circuit este egal cu 0,58 m 3.
Pentru dispozitivul colector, selectăm o țeavă din plastic de dimensiune 32x3. Pierderea de presiune în el este de 45 Pa / m; rezistența unui circuit este de aproximativ 7 kPa; viteza de curgere a agentului de răcire este de 0,3 m / s.
Când sunt utilizate puțuri verticale de adâncime de 20 până la 100 m, țevile din plastic în formă de U (cu diametre de la 32 mm) sunt scufundate în ele. În mod obișnuit, două bucle sunt introduse într-un singur puț, cu o umplutură de șlam. În medie, disiparea specifică a căldurii unei astfel de sonde poate fi luată ca 50 W / m. De asemenea, vă puteți concentra pe următoarele date despre radiator:
- roci sedimentare uscate - 20 W / m;
- sol pietros și roci sedimentare saturate cu apă - 50 W / m;
- pietre de piatră cu conductivitate termică ridicată - 70 W / m;
- apa subterana - 80 W / m.
Temperatura solului la o adâncime mai mare de 15 m este constantă și este de aproximativ +9 ° C. Distanța dintre puțuri trebuie să fie mai mare de 5 m. În prezența curenților subterani, puțurile trebuie amplasate pe o linie perpendiculară pe flux.
Selectarea diametrelor țevilor se face pe baza pierderilor de presiune pentru debitul dorit de lichid de răcire. Calculul debitului de lichid poate fi efectuat pentru t = 5 ° C.
Datele inițiale sunt aceleași ca în calculul de mai sus al colectorului orizontal. Când disiparea specifică a căldurii sondei este de 50 W / m și puterea necesară este de 11,28 kW, lungimea sondei L ar trebui să fie de 225 m.
Pentru aranjarea colectorilor, este necesar să se efectueze forarea a trei puțuri cu o adâncime de 75 m. În fiecare dintre ele se pun două balamale de țeavă de 32x3; în total - 6 contururi pe 150 m.
Debitul total al agentului de răcire la t = 5 ° C va fi de 2,1 m 3 / h; curge printr-un circuit - 0,35 m 3 / h. Contururile vor avea următoarele caracteristici hidraulice: cădere de presiune în țeavă - 96 Pa / m (purtător de căldură - soluție de etilen glicol 25%); rezistență la buclă - 14,4 kPa; viteza de curgere este de 0,3 m / s.
Deoarece temperatura antigelului poate varia (de la -5 la +20 ° C), în circuitul primar al sistemului pompei de căldură este necesar un rezervor hidraulic de expansiune.
De asemenea, se recomandă instalarea unui rezervor de stocare pe linia de încălzire (condensator) a pompei de căldură: compresorul pompei de căldură funcționează în modul "on-off". Pornirea prea frecventă poate duce la uzura accelerată a pieselor sale. Rezervorul este, de asemenea, util ca o baterie de energie - în caz de întrerupere a alimentării. Volumul său minim este luat din calculul a 20-30 litri la 1 kW de putere a pompei de căldură.
Când utilizați bivalentsii, a doua sursă de energie (electrică, gaze, lichide sau cazan cu combustibil solid), acesta este conectat la circuitul prin rezervorul de stocare, care este de asemenea termogidroraspredelitelem, includerea cazanului este controlată de o pompă de căldură sau un sistem de automatizare nivel superior.
În cazul întreruperilor posibile de energie, este posibilă creșterea puterii pompei de căldură instalate cu un factor calculat prin formula: f = 24 / (24 - t off), unde t off este durata întreruperii alimentării.
În eventualitatea unei întreruperi de curent de 4 ore, acest coeficient va fi de 1,2.
Puterea pompei de căldură poate fi selectată pe baza modului de funcționare monovalent sau bivalent. În primul caz se presupune că pompa de căldură este utilizată ca unic generator de energie termică.
Condițiile din regiunea centrală a Rusiei pentru o evaluare în selectarea unei pompe de căldură care funcționează într-un mod bivalentă poate fi ghidat de raportul 70/30: 70% din necesarul de căldură este acoperită de pompa de căldură, iar restul de 30 - sursa de căldură electrice sau. În regiunile sudice pot fi ghidate de raportul de putere al pompei de căldură și sursa de căldură suplimentare, utilizate în mod obișnuit în Europa de Vest: 50-50.
Pentru o cabana cu o suprafata de 200 m 2 pentru 4 persoane cu o pierdere de caldura de 70 W / m 2 (calculata la -28 ° C in afara temperaturii aerului), cererea de caldura va fi de 14 kW. La această valoare, se adaugă 700 W pentru prepararea apei calde sanitare. Ca rezultat, capacitatea necesară a pompei de căldură este de 14,7 kW.
Dacă este posibilă oprirea temporară a electricității, este necesar să se mărească acest număr cu coeficientul corespunzător. De exemplu, timpul de oprire zilnic este de 4 ore, iar puterea pompei de căldură trebuie să fie de 17,6 kW (factorul de creștere este 1,2). În cazul unei operații monovalente, este posibilă selectarea unei pompe de căldură cu apă de la sol cu o capacitate de 17,1 kW, consumând 6,0 kW de energie electrică.
Pentru un sistem bivalent cu un încălzitor electric suplimentar și temperatura rece de intrare a apei de 10 ° C pentru nevoia de apă caldă și un factor de siguranță, puterea pompei de căldură să fie 11,4 W, în timp ce un boiler electric - 6,2 kW (total - 17,6) . Consumul maxim de energie electrică a sistemului este de 9,7 kW.
Costul aproximativ al energiei electrice consumate în timpul sezonului, când o pompă de căldură funcționează într-un mod monovalent, este de 500 de ruble. Bivalentă și la o temperatură mai mică (-10 ° C) - 12 500. Costul energiei folosind numai cantitatea corespunzătoare a cazanului: putere - 42 000 de combustibil diesel - 25 000, iar gazul - aproximativ 8000 de ruble. (în prezența unei conducte nereușite și existente în Rusia, prețuri scăzute la gaz). În prezent, condițiile noastre de eficiență a pompei de căldură poate fi comparat doar cu cazanul de gaz din noua serie, precum și pentru costurile de exploatare, durabilitate, siguranță (camera cazanului nu este necesar), și respectarea mediului este superior tuturor celorlalte tipuri de producție de căldură.
Rețineți că atunci când instalați pompe de căldură în primul rând, trebuie să aveți grijă de izolarea clădirii și de instalarea geamului izolator cu conductivitate termică scăzută, ceea ce reduce pierderea de căldură a clădirii și, prin urmare, costul lucrărilor și al echipamentelor.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: