Архитектурная физика_лаб 2

Лабораторная работа 2
Расчёт теплового насоса

Цель работы
Рассчитать геотермальные насосы разных типов (горизонтальный и вертикальный)

Тепловой насос
Тепловой насос — устройство для переноса тепловой энергии от источника низкопотенциальной тепловой энергии (с низкой температурой) к потребителю (теплоносителю) с более высокой температурой.
Тепловые насосы могут использовать низкопотенциальное тепло воздуха, грунта, подземных, сточных и сбросовых вод технологических процессов, открытых незамерзающих водоемов.
https://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=sE7PmvlUn2U

Источники
низкопотенциального тепла
наружный воздух температурой от –15 до +15 °С,
отводимый из помещения воздух (15–25 °С),
подпочвенные воды (4–10 °С),
грунтовые воды (более 10 °C) воды,
озерная и речная вода (0–10 °С),
поверхностный грунт (0–10 °С),
глубинный (более 20 м) грунт (10 °С)
и др.

Схемы работы тепловых насосов
«Воздух-вода»: в качестве источника тепла выбран атмосферный или вентиляционный воздух. Насос может быть расположен внутри или снаружи помещения. Воздух подается в его теплообменник с помощью вентилятора.
«Вода–вода»: использование в качестве источника тепла грунтовой воды. Она подается из скважины с помощью насоса в теплообменник насоса и либо закачивается в другую скважину, либо сбрасывается в водоем.
«Вода-фреон»: источник тепла – водоем, на его дно укладывается петля из металлопластиковой или пластиковой трубы. По трубопроводу циркулирует раствор гликоля (антифриз), который через теплообменник теплового насоса передает тепло фреону.

Тепловой насос «вода-фреон»

Получение низкопотенциального тепла из грунта (геотермальные тепловые насосы)
Возможны два варианта : укладка металлопластиковых труб в траншеи глубиной 1,2–1,5 м либо в вертикальные скважины глубиной 20–100 м. Иногда трубы укладывают в виде спиралей в траншеи глубиной 2–4 м. Это значительно уменьшает общую длину траншей. Максимальная теплоотдача поверхностного грунта составляет 50–70 кВт·ч/м2 в год. По данным зарубежных компаний, срок службы траншей и скважин составляет более 100 лет.

Геотермальные тепловые насосы

Применение
тепловых насосов
практическое применение тепловые насосы получили только в 30-х годах ХХ века.
в Японии эксплуатируется более 3,5 миллионов установок,
в Швеции около 500 000 домов обогревается тепловыми насосами различных типов.

Применение
тепловых насосов
Бассейны
Пассивные дома, дачи, коттеджи
Квартиры
Гостиницы, рестораны
Коттеджные городки
Офисно-торговые центры
Производственные помещения
Аквапарки
Школы

Пример использования
теплового насоса в России
Московская обл., Наро-Фоминский р-н, сельское поселение Марушкинское, энергосберегающий дом, рассольно-водяной тепловой насос

Тепловые насосы в Иркутске
Компания Альтернативной Энергетики «Тепловые насосы» https://teplo-nasos38.ru/
Инженерно-технологический центр «Альтер Энерго» http://ae38.ru

Пример использования
под Иркутском
Байкальский лимнологический музей
Иркутская обл., Иркутский р-н, пос. Листвянка, ул. Академическая, 1

Расчёт теплового насоса
Qo – тепловая мощность, получаемая от низкопотенциального источника (грунт). Рассчитывается как разница полной мощности теплового насоса Qwp и электрической мощности, затрачиваемой на нагрев фреона P:
Qo = Qwp – P, кВт.
Суммарная длина труб коллектора L и общая площадь участка под него A рассчитываются по формулам:
L = Qo/q,
A = L·da,
здесь q – удельный (с 1 м трубы) теплосъем; da – расстояние между трубами (шаг укладки).
Для расчета параметров первичного контура теплонасосной установки потребуется определить расход антифриза:
Vs = Qo·3600 / (1,05·3,7·.t),
где .t – разность температур между подающей и возвратной линиями, которую часто принимают равной 3 К.

Удельный теплосъем
Можно ориентироваться на следующие данные по теплосъему с 1 м трубы:
сухие осадочные породы – 20 Вт/м=0,02 кВт/м;
каменистая почва и насыщенные водой осадочные породы – 50 Вт/м;
каменные породы с высокой теплопроводностью – 70 Вт/м;
подземные воды – 80 Вт/м.

Расчёт горизонтального
теплового коллектора
Исходные условия: теплопотребность коттеджа площадью 120–240 кв.м (в зависимости от теплоизоляции) – 12 кВт; температура воды в системе отопления 35 °С; минимальная температура теплоносителя – 0 °С. Для обогрева здания выбран тепловой насос WPS 140 l (Buderus) мощностью 14,5 кВт (ближайший больший типоразмер), затрачивающий на нагрев фреона 3,22 кВт. Теплосъем с поверхностного слоя грунта (сухая глина) q равняется 0,02 кВт/м.
Рассчитываем:
требуемую тепловую мощность коллектора Qo = Qwp – P;
суммарную длину труб L = Qo/q;
необходимую площадь участка А = L·da
общий расход гликолевого раствора Vs = Qo·3600 / (1,05·3,7·.t)

Расчёт зондового теплового насоса
При использовании вертикальных скважин глубиной от 20 до 100 м в них погружаются U-образные металлопластиковые или пластиковые (при диаметрах выше 32 мм) трубы. Как правило, в одну скважину вставляется две петли, после чего она заливается цементным раствором. В среднем удельный теплосъем такого зонда можно принять равным 50 Вт/м.
Температура грунта на глубине более 15 м постоянна и составляет примерно +10 °С. Расстояние между скважинами должно быть больше 5 м. При наличии подземных течений скважины должны располагаться на линии, перпендикулярной потоку.
Подбор диаметров труб проводится исходя из потерь давления для требуемого расхода теплоносителя. Расчет расхода жидкости может проводиться для .t = 5 °С.

Пример выбора оборудования
Для коттеджа площадью 200 кв.м на 4 человек при тепловых потерях 70 Вт/м2 (при расчете на –28 °С наружной температуры воздуха) потребность в тепле будет 14 кВт. К этой величине следует добавить 700 Вт на приготовление санитарной горячей воды. В результате необходимая мощность теплового насоса составит 14,7 кВт.
При возможности временного отключения электричества нужно увеличить это число на соответствующий коэффициент. Допустим, время ежедневного отключения – 4 ч, тогда мощность теплового насоса должна быть 17,6 кВт (повышающий коэффициент – 1,2).
В случае моновалентного режима можно выбрать тепловой насос типа «грунт–вода» Logafix WPS 160 L (Buderus) мощностью 17,1 кВт, потребляющий 5,5 кВт электроэнергии http://buderus-dealer.by/katalog/teplovye-nasosy/geotermalnye/geotermalnykh-teplovoj-nasos-buderus-logatherm-wps-10-1
Для бивалентной системы с дополнительным электрическим нагревателем и температурой установки –10 °С с учетом необходимости получения горячей воды и коэффициента запаса, мощность теплового насоса должна быть 11,4 Вт, а электрического котла – 6,2 кВт (в сумме – 17,6). Потребляемая системой пиковая электрическая мощность составит 9,7 кВт.
Источник: Журнал Аква-Терм http://www.airweek.ru/pr_news_89.html