Грунтові теплообмінники для геотермального теплового насосу
Одним із ключових елементів геотермального теплового насоса є ґрунтовий теплообмінник. Саме завдяки цьому елементу тепловий насос отримує низькопотенційне тепло. Правильно спроектований та встановлений ґрунтовий теплообмінник запорука ефективної та надійної роботи.
Існує безліч конструкцій теплообмінників для отримання теплоти з ґрунту та ґрунтових вод. Усіх їх можна класифікувати за трьома основними типами:
- Горизонтальні теплообмінники (колектори);
- Вертикальні теплообмінники, звані «зонди»;
- І теплообмінники типу «кошик» та «спіраль».
Горизонтальний теплообмінник геотермального теплового насоса
Монтаж горизонтального теплообмінника є найпростішим і не вимагає значних грошових витрат. Недоліком є велика площа, на якій не повинно бути згодом будівель і дерев.
Розкладка такого теплообмінника здійснюється на глибині нижче за рівень промерзання ґрунту, зазвичай від 1 до 3 м залежно від географічної місцевості та типу ґрунту.
Верхні шари ґрунту накопичують сонячне тепло і, по суті, є акумуляторами сонячної енергії. Тому температура верхніх шарів грунту не рівномірна протягом року і має сезонні коливання, що в свою чергу впливає на період експлуатації. Наприклад на глибині 2 м температура ґрунту коливається від 7 ° С до 13 ° С протягом року.
Температура ґрунту в залежності від глибини
Знімання тепла з кожного метра ґрунтового колектора залежить від багатьох факторів. Таких як: глибина укладання, тип та вологість ґрунту, затінення майданчика під теплообмінник і т.д. У середньому значення 20 Вт/м. Для докладніших розрахунків слід звернутися до фахівців для детального геологічного аналізу ґрунту.
Крок укладання труб не повинен бути меншим за 0,7 м для ефективної роботи колектора. Рекомендується використовувати контур загальною довжиною не більше 150 м через великий гідравлічний опір. При застосуванні кількох контурів необхідно намагатися, щоб кожен із них був приблизно однаковою довжини.
Приклад розрахунку горизонтального теплообмінника
Наприклад розрахуємо площу, займану горизонтальним колектором. Допустимо, що для будинку необхідний тепловий насос потужністю 10 кВт.
Потужність контурів ґрунтового теплообмінника теплового насоса, що знімається, обчислюється щодо потужності та СОР обраного теплового насоса за формулою:
Ре = Pн * (1 - 1/СМР), кВт
Де Рн – номінальна потужність теплового насоса, СОР – коефіцієнт перетворення. Розрахунок застосовують для одного з режимів згідно зі стандартом EN 14511 (зазвичай приймають точку В0/W35, де 0 °С – температура теплоносія на вході у випарник, 35 °С – температури подачі системи опалення). Як зразок візьмемо тепловий насос Nibe F1145-10 з параметрами при В0/W35: потужність – 9,95 кВт та СМР – 5,03.
Ре = 9,95*(1 -1/5,03) = 7,97 кВт;
Необхідна довжина горизонтального теплообмінника теплового насоса, що дорівнює відношенню необхідної потужності до потужності одного метра труби, що знімається:
Де q – приймаємо 20 Вт/м (середнє значення для горизонтальних колекторів).
L = 7,97/0,02 = 398,5 м
Для нашого теплового насоса буде оптимально 4 ґрунтові контури по 100 м кожен. Щоб дізнатися яку площу займатиме такий колектор необхідно це число помножити на величину кроку укладання труб (беремо крок рівний 0,7 м) S = 400 * 0,7 = 280 м².
Вертикальний ґрунтовий теплообмінник - «Зонд»
Температура ґрунту глибше 20 метрів стабільна протягом усього року і дорівнює 8-10 °С, вона підтримується завдяки геотермальній енергії надр Землі. Для отримання цієї енергії використовують вертикальні ґрунтові теплообмінники, які називаються «Зондами», які занурюють у свердловини глибиною 20-300 м і діаметром 120-200 мм. Зазвичай використовують пластикову трубу діаметром від 32 мм. У свердловину поміщають одну або дві петлі зонда і простір між ґрунтом та трубою заповнюють бентонітом або іншим розчином з високою теплопровідністю.
Теплознімання з вертикального теплообмінника вище, ніж у горизонтального та приймається в середньому 50 Вт/м. Однак реальне значення може сильно відрізнятися, і залежить від вологості породи та наявності ґрунтових вод.
Тепло надр землі хоч і є відновлюваним джерелом енергії, проте теплова регенерація (відновлення) відбувається не так швидко, як ми витрачаємо теплоту грунту. Тому всі дані наведено з урахуванням 1800 годин роботи теплового насоса на рік. Згідно з дослідженнями в перші 2-3 роки температура ґрунту навколо теплообмінників різко знижується, проте з кожним роком зниження температури зменшується. Все це призводить до зниження ефективності теплового насосу. Якщо ж використовувати тепловий насос більше 1800 годин на рік, існує ризик значного зниження температури навколо свердловини або навіть промерзання деяких ділянок. Це може призвести до просідання деяких шарів ґрунту та руйнування труб теплообмінника або до більш небезпечних наслідків для мікроклімату ґрунту та будов поблизу свердловини. Для кращої регенерації ґрунту рекомендується в літній період подавати додаткове тепло в теплообмінник, наприклад від сонячних колекторів або використовувати, тим самим підігріваючи зонд.
Розрахунок довжини вертикального ґрунтового теплообмінника проводиться аналогічно з горизонтальним колекторам. Для вибраного теплового насоса:
L = Pe/q = 7,97/0,05 = 159,4 м
Це може бути як одна 160 м свердловина, так і три свердловини по 55 м. При використанні декількох зондів необхідно свердловини бурити на максимально можливому віддаленні один від одного (не менше 6 м). Для більш ефективної роботи рекомендується бурити менше свердловин.
Інші ґрунтові теплообмінники геотермальних теплових насосів
Окремо були класифіковані теплообмінники типу «Кошик» та «Спіраль».
Вони поєднують у собі властивості горизонтальних теплообмінників і спосіб установки, що нагадує вертикальні теплообмінники. Такі теплообмінники укладаються на глибину до 5 м. Існують також деякі інші модифікації ґрунтових теплообмінників геотермальних теплових насосів.
