Теплові насоси з підземним джерелом тепла – особливості застосування

І. Шита

Теплові насоси (далі – ТН) набувають все більшого поширення завдяки очевидній екомічності та енергоефективності. Широкий асортимент дає можливість кожному споживачу обрати тепловий насос, так би мовити, «під себе». Структурно-геологічні умови, а також індивідуальні вимоги можна враховувати ще на етапі проектування. Теплові насоси Viessmann використовуються для нового будівництва та модернізації опалення в існуючих будівлях. Крім моновалентного режиму, теплові насоси можуть працювати разом із сонячними установками та з існуючими системами опалення на газі

Так, теплові насоси «розсіл-вода» за посередництвом колекторів або ґрунтових зондів використовують ґрунт як основне джерело енергії. Якщо доступним джерелом тепла є вода, застосовуються теплові насоси «вода-вода»

Ґрунтові теплові насоси

Так звані «ґрунтові ТН» як первинні джерела теплової енергії отримують підземні шари ґрунту через «ґрунтові колектори» чи «ґрунтові зонди», в яких використовується розсіл як робочий теплоносій(див. рис. 1). Земля має практично необмежений ресурс тепла. На глибині від 3-х метрів температура ґрунту за посередництвом колекторів або ґрунтових зондів цілий рік зберігає температуру +10°С. Це стосується і ґрунтових вод, що залягають глибше 3 м – вони мають сталу температуру +10°С чи навіть вищу. Як приклад, система опалення музею сучасного мистецтва в м. Мюнхені, Німеччина, базується на використанні теплових насосів, що відбирають тепло від ґрунтових вод під містом, які мають цілорічну температуру +18°С. Такі умови застосування зумовлюють ефективність «підземних» теплових насосів.

Рис. 1. Ґрунтові теплові насоси з відбором тепла від первинного джерела колекторами чи зондами з розсолом

В той же час технічна продуктивність (або радше швидкість відбору тепла) теплових насосів «ґрунт-вода» суттєво обмежена швидкістю теплової передачі ґрунту в даній локації. Тому вибір даного джерела тепла для ТН має деякі особливості при проектуванні та головним чином обмежується кількістю енергії, здатної бути накопиченою та регенерованою. Тобто, продуктивність теплових насосів в даному випадку визначається не показником теплової потужності ТН, а характеристиками його холодопродуктивності. Це формує особливості проектування та обмеження використання ТН, щоб уникнути промерзання ґрунту навколо зондів чи колекторів з розсолом, що може призвести до фактичної зупинки роботи ТН через переохолодження «джерела».

Головна особливість розрахунків для проектування «розсільних» ґрунтових ТН – забезпечення достатньої площі підземних колекторів (м²), їх необхідне заглиблення (м) чи довжину вертикальних зондів (м) з первинним теплоносієм, щоб швидкість тепловідбору була повільною, що дасть змогу уникнути промерзання навколишнього ґрунту. Розрахунки за паспортними даними або інструкцією з проектування ТН в подальшому визначають необхідну довжину з’єднувальних магістралей від системи збору тепла (зонд чи колектор з розсолом) до первинного теплообмінника теплового насоса (розсіл / холодоагент), що формує дані про загальну потрібну потужність циркуляційного контуру насосів розсільного контуру.

Ґрунт, як джерело тепла

Для ґрунтових (фактично – геотермальних) зондів та колекторів зазвичай використовуються пластикові труби (матеріал PE 80 чи PE 100). Для правильного розрахунку потрібно знати зовнішній діаметр пластикової труби зонду чи колектору, що значною мірою визначає загальний коефіцієнт теплопередачі. Внутрішній діаметр труби DI зумовлює гідравлічний опір зонду чи колектору та розраховується за формулою:

DI = DA – 2×S, мм,

де:

DI – внутрішній діаметр в мм;
DA – зовнішній діаметр в мм;
S – товщина стінки в мм.

Товщина стінки пластикової труби визначає міцність. Для її визначення використовують показник SDR (standard dimension ratio – стандартне співвідношення розмірів), тобто співвідношення зовнішнього діаметру DA із товщиною стінки труби S:

SDR = DA/S, мм.

Чим меншим є SDR, тим труба міцніша та більш стійка до зовнішнього та внутрішнього тиску. Типовий показник SDR можна обрати з табл. 1. Для гідравлічних розрахунків використовується діаметр внутрішнього перерізу DN, який є нормативним значенням для труби з обраною товщиною стінки.

Таблиця 1. SDR – показник гідравлічної та зовнішньої міцності пластикової труби зонду чи колектору

Звичайно, роботи по облаштуванню зондів чи колекторів потребують бурильних чи земляних робіт, що мають проводитися ліцензованими підприємствами з відповідним досвідом. До проведення робіт і остаточних проектних розрахунків мають бути проведені геодезично-вишукувальні роботи, на що потрібен дозвіл від місцевих органів держгірнагляду. Особливу уважність щодо цього слід приділяти при облаштуванні підземних частин контуру теплового насоса в умовах ділянок, що розташовані в межах населених пунктів чи міст, де є чи можуть бути підземні комунікації.

Вибір ґрунтових зондів

Ефективність та продуктивність ґрунтових зондів значною мірою залежить від локальних геологічних умов та може відрізнятися аж до 100%. Зазвичай для попередніх розрахунків приймається величина тепловідбору 50 Вт/м. За допомогою геологічних карт місцевості дану величину можна визначити доволі точно. Теплопровідність шарів ґрунту відрізняється та визначається за допомогою спеціальних таблиць. Уточнений остаточний розрахунок із урахування впливу всіх параметрів має бути виконаний компетентними фахівцями із спеціалізованих організацій. Вони мають визначити продуктивність свердловини та оцінити показники холодопродуктивності та сезонного використання ТН протягом року (SEER).

Слід зазначити, що тепловий насос, який працює за бівалентною паралельною схемою теплопостачання має більший річний коефіцієнт використання, ніж тепловий насос такої ж потужності, що працює в моновалентному режимі.

Для правильного гідравлічного розрахунку ґрунтових зондів має бути врахований щонайменше такий перелік діючих факторів:

• однакова пропускна здатність (об’ємної витрати) теплоносія через всі зонди;
• за наявності 3-х чи більше зондів слід передбачити перемикаючий клапан для вирівнювання протоку та гідравлічні втрати через нього;
• загальні втрати тиску в трубопроводах (для розрахунку електричної потужності циркуляційних насосів);
• матеріал зондів має бути стійким до впливу теплоносія, що використовується;
• знаючи довжину трубопроводів, можна розрахувати гідравлічний опір та обрати типорозмір і потужність розсільного циркуляційного насосу.

Вибір ґрунтових колекторів

Горизонтальні колектори дещо заглиблені в шар ґрунту та використовуються, як первинне джерело тепла, що безпосередньо межує з поверхневим (родючим) ґрунтом. Колектори мають бути заглиблені нижче межі промерзання для даної місцевості. Зазвичай в наших умовах це глибина 1,5 м. Влітку цієї глибини достатньо, щоб акумулювати достатню кількість тепла від сонячної радіації та атмосферних осадів. Поверхня ґрунту над самими колекторами не має бути затіненою чи забудованою.

Щоб уникнути значних втрат тиску доцільно не перевищувати загальну довжину колекторів більшою за 100 м. Щоб визначити необхідну площу колекторів існує два способи:

• згідно вимог VDI 4640;
• згідно рекомендацій BDH, стор. № 43.

Визначення площі колекторів за VDI 4640

Правила VDI 4640 частина 2 передбачають вибір колекторів на базі трьох різних типів ґрунту, див. табл. 2.

Таблиця 2. Тепловіддача ґрунту для горизонтальних колекторів

Щоб уникнути явища суцільного замерзання ґрунту потрібно розраховувати необхідну довжину труб та визначати оптимальну відстань між нитками колектору. Локальні зони замерзання навколо ділянки колектору, що можуть виникати, не мають накладатися одна на одну та впливати на сусідні ділянки.

Для PE-труб із зовнішнім діаметром DA 20 (тобто DN 15) така безпечна відстань приймається рівною 30 см, що дозволяє на 1 квадратний метр укласти до 3 метрів труби (тобто 3 м/м²). Для труб з DA 25 (DN 20) ця відстань буде 50 см, відповідно можна укласти близько 2 м труби на 1 квадратний метр (= 2 м/м²). Для труб з DA 32 (DN 25) ця відстань становитиме вже 70 см. 50 см, тобто 1 квадратний метр можна укласти лише 1,2 м колекторної труби.

Кількість кільцевих контурів, виходячи із максимальної довжини труби, що не перевищує 100 м, та необхідної площі колектору, визначається за формулою:

N_RK = (F_E ×L_RL) / 100 [м],

де:

N_RK – число кільцевих контурів;
F_E – загальна площа колектору, м²;
L_RL – специфічна довжина укладки труби на 1 м².

Для визначення загальної необхідної площі колектору F_E дані підставляються в формулу:

F_E = Q_K / q_E ,

де:

Q_K – холодопродуктивність теплового насосу, Вт;
q_E – максимальне специфічне холодопропускання ґрунту, Вт/м².

Визначення площі ґрунтових колекторів за методикою BDH 43

Визначення площі ґрунтових колекторів за довідником, що є аналогом німецькому інформаційному земельному довіднику BDH 43, вбачається у стандарті DIN 4710 більш точним методом, аніж за методикою VDI 4640. Згідно з довідником BDH 43 можна скористатися розрахунковими діаграмами, що містять дані для ґрунтових колекторів у різних місцевостях та кліматичних зонах, тобто ймовірну тепловіддачу можна визначити в залежності від кліматичної зони, складу ґрунтів у конкретній місцевості, холодопродуктивності теплового насоса та відстані поміж трубами. В інформаційному довіднику BDH-43 також містяться дані для ґрунтових колекторів з зовнішнім діаметром 32 мм, проте на практиці такі труби застосовуються не часто.

Приклад розрахунків (за методикою VDI 4640)

Дані для теплового насосу Vitocal 333-G BWT 108 від Viessmann:

Опалювальна потужність: 7,8 кВт (режим B 0°C / W 35°C).
Холодопродуктивність: 6,3 кВт (режим B 0°C / W 35°C).
Об’єм розсолу: 3,9 л.
Моновалентний режим (1 800 год).
Тепловіддача ґрунту (за табл. 2): 25 Вт / м² .

За формулами, що наведені вище, визначається загальна площа колектору FE = 250 м² для Q_K = 6300 Вт та q^E = 25 Вт / м². Обираємо PE-трубу 25 x 2,3 (DA 25). Для труби з максимальною довжиною 100 м та відстанню поміж трубами в колекторі 0,5 м (~ 2м/м² ) для DA 25 (DN 20) число петель кілець контуру дорівнюватиме 5:

N_RK = (250 м² × 2 м/м²)/ 100 м = 5

Вибір теплоносія

Для того, щоб теплоносій у первинному контурі розсільного зонду чи колектору не замерзав, потрібно щоб «розсільний» теплоносій був однакової концентрації по всій довжині труб та міг працювати за температурою щонайменше до –15°C та містити відповідні захисні інгібітори та гомогенізатори. Для наповнення первинного контуру компанія Viessmann рекомендує застосовувати рідину «Tyfocor» на етилен-гліколевій основі з температурою замерзання -15°C. Обираючи теплоносій варто звертати увагу на сертифікацію даного продукту та відповідність всім вимогам виробника ТН та технічним умовам експлуатації.

Розрахунок об’єму теплоносія

Кількість (об’єм) теплоносія для заповнення труб колекторів чи зонду має враховувати внутрішній об’єм труб, що з’єднуватимуть первинний тепловідбірник із теплообмінником у самому ТН, та враховувати наявність всіх допоміжних пристроїв (клапанів, насосів і т. і.).

Внутрішній об’єм стандартних пластикових труб наведено у табл. 3.

Таблиця 3. Внутрішній об’єм труб

Якщо труби мають інше співвідношення діаметрів, то слід звернутися до технічних даних виробників. Необхідний об’єм теплоносія V_R дорівнюватиме сумі об’єму кожного контуру колектору V_EK, л, об’єму з’єднань із тепловим насосом V_VL, л, та об’єму робочої рідини в самому тепловому насосі V_WP, л. Отже, наприклад, для теплового насосу Vitocal 333-G BWT 108 від Viеssmann, якщо загальна довжина колектору із 5 контурів по 100 м PE-труби 25 x 2,3 (DA 25) плюс 10 м PE-труби 32 × 3,0 (DA 32) плюс об’єм у ТН, то:

V_EK = 5×100 м × 0,327 л/м;
V_VL = 10 м × 0,531 л/м;
V_WP = 3,9 л;
V_R = 5 × 100 м × 0,327 л/м + 10 м × 0,531 л/м + 3,9 л.

Загальна місткість в трубах (необхідний об’єм теплоносія) складе V_R = 172,71 л.

Об’ємна витрата та перепад тиску у розсільному контурі

Для забезпечення ефективної роботи теплового насосу та для підтримки необхідної температури у вторинному контурі теплового насоса системи опалення важливо знати його довжину та гідравлічний опір. Це потрібно, щоб забезпечити задану витрату теплоносія через первинний контур.

Чим менше різниця температур в розсільному контурі, тим ефективніше працює ТН, тому що у випаровувач з первинного контуру поступає більш теплий носій. Для ґрунтових зондів та колекторів для розрахунку масової витрати рекомендовано приймати діючу різницю температур 3 K, а максимально припустиму – 5 K.

За різниці 3 K теплоносій може складатися із 85% води і 15% гліколю з об’ємною витратою 184 л/г на кВт. Дана цифра демонструє важливість мінімізації втрат тиску у первинному контурі та впливає на загальну ефективність системи в цілому.

Якщо відомі об’ємна витрата та кількість зондів (кількість кілець колектору), то можна визначити втрати тиску за допомогою відповідних діаграм.

Приклад. Холодопродуктивність 6,3 кВт (при B 0°C/W 35°C) потребує об’ємної витрати через розсільний контур 6,3 кВт × 184 л/(г·кВт). Тоді загальна об’ємна витрата через розсільний контур дорівнюватиме 1160 л/г.

Загальна втрата тиску буде складатися із втрати тиску у трубах, що підводять теплоносій («вхідні») та втрати тиску в паралельних контурах (в петлях):

Δp = ΔpZ_вхідні + Δp_петель,

де:

Δp – загальна втрата тиску, мбар;
ΔpZ_вхідні – зменшення тиску у вхідній лінії, мбар;
Δp_петель – зменшення тиску в контурі трубопроводів, мбар.

Приклад. Загальна витрата в розсільному контурі складає 1160 л/г. Загальна витрата через кожен циркуляційний контур (загалом – 5 паралельних контурів) із 100 м PE-труби 25 x 2,3 (DA 25) склав 1160 / 5 = 232 л/г. Падіння тиску у допоміжних трубопроводах 10 м PE-труби 32 × 3,0 (DA 32) з витратою 1160 л/г складатиметься із гідравлічного опору 3,0 мбар на кожний метр труб, тобто загалом – 30,0 мбар. Падіння тиску у контурі циркуляції для 100 м PE-труба 25 x 2,3 (DA 25) с витратою через неї 232 л/г складе 0,7 мбар/м (загалом – 70,0 мбар). Загальне падіння тиску становитиме:

Δp = 70,0 мбар + 30,0 мбар = 100 мбар.

В теплових насосах з циркуляційними насосами у розсільному контурі втрати тиску теплоносія у первинному контурі вказано в технічному паспорті теплового насоса. У ТН без насосів у розсільному контурі втрати тиску та об’ємна подача мають бути розраховані для насосу зовнішнього контуру із урахуванням втрати тиску на контурі випаровувача теплового насоса. Ці дані також містяться у технічному паспорті ТН.

Тепловий насос «вода-вода»

Іншою альтернативою теплового насоса із підземним джерелом тепла є ґрунтові води, які можуть також бути доволі ефективним джерелом теплової енергії, або ж ефективним охолоджувачем.

Вода для даних теплових насосів відбирається із підземного горизонту та після відбору тепла повертається назад під землю зазвичай «за потоком», тобто нижче за течією підземного водотоку. Для водо-водяного насосу потрібно організувати додатковий проміжний гідравлічний контур для відокремлення ґрунтової води і теплоносія, що безпосередньо циркулюватиме у контурі ТН, див рис. 2.

Рис. 2. Тепловий насос «вода-вода»

Ґрунтова вода із заглиблених підземних горизонтів має майже сталу температуру протягом всього року, зазвичай в межах від +7°C до +12°C. Ґрунтова вода за допомогою свердловинного насосу потрапляє із водозабірної свердловини до складових системи ТН, після теплообміну скидається назад у водяний шар через свердловину, розташовану нижче за підземним потоком. Чим глибше залягає водоносний горизонт, тим сталіша температура в ньому. Температура поверхневих малозаглиблених ґрунтових вод може варіюватися в залежності від пори року.

Оскільки якість самої води, забруднення її абразивними частинками та ступінь її мінералізації може бути суттєво різною, для захисту пластинчатого теплообмінника теплового насоса слід передбачити додатковий теплообмінник. Як свідчить багаторічний досвід для цього оптимально використовувати теплообмінники із нержавіючої сталі.

Ґрунтові води – вимоги

Для прямого використання ґрунтових вод, як первинного джерела тепла потрібно щонайменше дві свердловини. Безпосереднє проектування та буріння має виконувати спеціалізована організація, що має відповідні дозволи та сертифікати для проведення таких робіт. Некваліфіковане буріння та проектування водозабірних та водоскидних свердловин може негативно вплинути на рівень та розподіл потоку підземних ґрунтових вод.

Якщо підземні роботи для теплового насоса та його проектування були виконані правильно із виконанням всіх вимог та з отриманням всіх дозвільних документів, то водо-водяний тепловий насос демонструє високі показники річної продуктивності. Це пов’язано із досить високими та доволі сталими сезонними температурами первинного теплоносія.

Для проектування важливо врахувати такі фактори:

• чи достатня кількість води через водозабірну та водоскидну свердловини зможе фактично циркулювати для функціонування теплового насоса? Зазвичай середнє значення потреби у воді складає близько 250 л/г на кожен кВт холодопродуктивності насосу на весь термін експлуатації ТН. Отже, потрібно мати впевненість у майбутньому дебеті води через свердловину;
• максимальний перепад температури ґрунтової води складає +/– 6 K;
• хімічний склад ґрунтових вод має задовольняти технічним вимогам (електропровідність, вміст кисню, заліза, солей жорсткості і т. і.). В залежності від хімічного складу та вмісту плаваючих абразивів передчасно вийти з ладу можуть різні компоненти системи – трубопроводи, в т. ч. підземні, компоненти системи ТН (труби, арматура, теплообмінники тощо). Тому рекомендовано впевнитися в належній якості підземної води.

Температурний перепад первинного контуру має бути мінімальним, тому рекомендовано дотримуватися перепаду температур в межах 3 К, максимум 6 K. Перевищення такої різниці температур, особливо взимку, може стати причиною заморожування теплообмінника, що постійно контактує із рідиною теплоносія у первинному контурі. Тому важливо дотримуватися рекомендацій якості води і щодо перепаду температур водо-водяного теплообмінника, щоб уникнути небажаних локальних температурних напружень та мінеральних відкладень, що можуть викликати корозію.

Локальні забруднення можуть викликати появу льоду, коли за умов зниження швидкості потоку частки бруду стають кристалізаторами та сприяють замерзанню води та нарощуванню льодяного шару, див. рис. 3. Завдяки цьому теплообмінник може втратити свою герметичність, що стане причиною виходу з ладу всієї системи.

Рис. 3. Особливості застосування пластинчастого теплообмінника

Порушення, що виникають в результаті невідповідної якості води, змушують застосовувати проміжний теплообмінник (рис. 4). Для розрахунку проміжного контуру рекомендовано використовувати такі температурні перепади: від +6°C до +10°C (вода) та від +4°C до +8°C (теплоносій). Холодопродуктивність – за технічним паспортом теплового насоса. За цим показником обирається циркуляційний насос (за найближчою достатньою об’ємною витратою). Також має враховуватися сумарне падіння тиску в контурі проміжного теплообмінника, та у випаровувачі трубопроводів проміжного контуру.

Рекомендовані діапазони температур для проміжного теплообмінника показані на схемі на рис. 5.

Охолоджуюча вода як джерело тепла

Власне водо-водяні насоси можуть в якості первинного джерела енергії використовувати не тільки ґрунтові води, але й природні чи технологічні джерела чи накопичувачі з незамерзаючою взимку водою, рис. 6. Це можуть бути басейни з технологічною охолоджувальною водою для роботи електростанцій чи металургійних або інших підприємств. Це випадок, який практично ніколи не трапляється для використання у приватних господарствах, але доволі типовий для комунального сектору.

Рис. 6. Використання охолоджуючої води з проміжковим контуром

Для використання технологічної води у якості первинного джерела тепла потрібно враховувати деякі обставини та наявність факторів, що впливають:

1. Доступний для використання об’єм води має бути не меншим, ніж мінімально необхідний для сталої роботи системи з ТН.
2. Максимальна температура охолоджуючої води має бути не більшою за +25°C. Для цього може знадобитися додаткове регулювання температурного діапазону, що можна організувати шляхом створення проміжного контуру теплообміну («тепловий трансформатор»).

Загальні висновки

Теплові насоси з підземним джерелом первинного тепла (ґрунт чи з підземних водних горизонтів) мають кращі показники річної та сезонної ефективності, ніж ТН інших типів. Тим самим, застосування ТН із використанням підземного тепла принципово вигідніше з огляду на економність споживання електроенергії. Проте важливо, щоб проектування таких систем виконувалося досвідченими та сертифікованими фахівцями, які мають врахувати всі особливості роботи та експлуатації таких систем та уникнути типових помилок, що можуть негативно позначитися на зазвичай довготривалому терміні служби таких систем.

Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok.  Долучайтесь!

Переглянуто: 4 928