Tepelné čerpadlo so zemným zdrojom poskytuje v našej klíme nižšie náklady na vykurovanie ako vzduchové čerpadlo. Správne navrhnutý a skonštruovaný pozemný výmenník tepla má zásadný vplyv na jeho efektívnu prevádzku. SPRIEVODCA: všetko, čo potrebujete vedieť o tepelnom čerpadle pozemného zdroja.

Pre koho je pozemné tepelné čerpadlo

Ak je vykurovacie zariadenie stále vo fáze projektovania, nie je problém prispôsobiť ho parametrom každého tepelného čerpadla a na pozemku, ktorý ešte nebol vyvinutý, zvyčajne neexistujú prekážky, ktoré by umožňovali výmenník potrebný na zhromažďovanie tepla zo zeme. Musíte vedieť, že teplo v zemi v hĺbke 1, 5 m pochádza takmer výlučne z atmosférických zrážok a slnečnej energie, takže povrch nad výmenníkom tepla by mal byť, pokiaľ je to možné, dobre vystavený slnečnému žiareniu a musí byť priepustný pre vodu. Nad ňou nemôžete zasadiť rastliny, ktorých korene by mohli v budúcnosti poškodiť potrubie. Malo by sa tiež vziať do úvahy, že prevádzka tepelného čerpadla znižuje teplotu zeme o niekoľko stupňov, čo narúša vegetáciu rastlín. Z tohto dôvodu je inštalácia pozemného tepelného čerpadla na dlho rozvinutom pozemku často príliš ťažkopádna.

Tepelné čerpadlo so zemným zdrojom v poľskej klíme

Teplota zeme je omnoho stabilnejšia ako vzduch, takže tepelné čerpadlo zeme nemusí pracovať v širokom rozsahu teplôt výparníka a jeho komponenty môžu byť lacnejšie ako dobré vzduchové čerpadlo. V určitej hĺbke pod zemským povrchom, ktorá sa nazýva hĺbka mrazu, je teplota vždy vyššia ako 0 o C. Poľsko je rozdelené do štyroch zón, v ktorých sa táto hĺbka pohybuje od 0, 8 m (v zóne I) do 1, 4 m (v IV). zóna). Lokálne sa teplota pôdy môže líšiť od týchto hodnôt (pôda sa môže ochladzovať napríklad silným vetrom). Dá sa však povedať, že v hĺbke viac ako 1, 5 m má pôda vždy kladnú teplotu. Čím hlbšia je, tým stabilnejšia je teplota zeme - nie je chladená studeným vzduchom, ale vďaka slnečnému žiareniu sa menej zahrieva.

Ako funguje tepelné čerpadlo na zem?

Na odvádzanie tepla zo zeme je potrebný pozemný výmenník tepla. Je to jednoducho rúrka umiestnená v zemi, ktorá vytvára slučku, v ktorej cirkuluje tekutina, bežne známa ako soľanka. Slučka (v skutočnosti je ich niekoľko) prechádza výparníkom tepelného čerpadla, v ktorom teplota soľanky klesá a je nižšia ako teplota zeme. Pokračovaním potrubia v zemi sa soľanka postupne zahrieva. Nakoniec ide opäť do výparníka, kde vydáva teplo. Takto funguje ako sprostredkovateľ pri výmene medzi zemou a výparníkom čerpadla. Výmenník môže byť vodorovný alebo zvislý. Výber riešenia môže byť určený veľkosťou pozemku - horizontálny výmenník vyžaduje niekoľko sto metrov štvorcových a pre zvislé sondy je potrebných niekoľko desiatok. Je dôležité, aby bol objem výmenníka významný - počas celej vykurovacej sezóny čerpadlo dostáva niekoľko megawatthodín tepla zo zeme. Ak je príliš malý, nadmerne sa ochladzuje a v dôsledku toho nemôže čerpadlo správne fungovať. Riadiaci systém pozemného tepelného čerpadla ho obvykle vypne, keď teplota soľanky klesne na -7 ° C, pretože pod touto hodnotou sú procesy v cykle kompresora neprimerane narušené.

Tepelné čerpadlo so zemným zdrojom s horizontálnym výmenníkom tepla

V prípade horizontálneho tepelného výmenníka sa predpokladá optimálna hĺbka 0, 2 - 0, 5 m pod bodom mrazu. Ak je však vodný tok v relatívne malej hĺbke, najlepším riešením je umiestniť do neho rúry. Tepelné čerpadlo potom dosiahne vyššiu COP. Rúry horizontálneho výmenníka sú uložené v predtým pripravenom priekope s rozmermi zodpovedajúcimi požadovanej ploche výmenníka. Sú vedené vo forme špirály (meandrov) na celom povrchu výkopu s určitým odstupom medzi susednými úsekmi. Vzdialenosť by nemala byť menšia ako 0, 4 ma väčšia ako 1, 2 m - prispôsobená typu pôdy, z ktorej vyplýva jej schopnosť „regenerácie“ (doplňovanie tepla). Čím dlhšie je povrch zeme zamrznutý, tým väčšie by mali byť medzery.

Malo by sa pamätať na to, že tepelná energia výmenníka nevyplýva z dĺžky potrubia, ale z povrchu zeme, na ktorej je položená. Menšie vzdialenosti mu neumožňujú prijímať viac tepla, ale vyžadujú použitie dlhšej rúry. To sa premieta do vyšších investičných a prevádzkových nákladov, pretože na čerpanie soľanky cez dlhšie potrubie je potrebné väčšie čerpadlo s cirkuláciou energie. Na druhej strane príliš veľká vzdialenosť medzi potrubiami znamená, že sa teplo nezhromažďuje v predpokladanom množstve, takže výkon výmenníka tepla je menší.

Tepelné čerpadlo so zemným zdrojom s horizontálnym výmenníkom tepla

Výpočet povrchového výmenníka tepla pozemného tepelného čerpadla

Sila, ktorou pozemný výmenník tepla odovzdáva teplo, závisí od typu pôdy a presne od jej vlhkosti. V závislosti od výpočtu povrchu horizontálneho výmenníka sa predpokladajú nasledujúce hodnoty účinnosti pôdnej tepelnej účinnosti q g (pre polyetylénové rúry):

  • suchý piesok - 10 W / m 2
  • vlhký piesok - 15-20 W / m 2
  • suchá hlina - 20 - 25 W / m2
  • vlhká hlina - 25 - 30 W / m2
  • mokrý (zvodnený) - 35 - 40 W / m2.

Toto sú, samozrejme, orientačné hodnoty.

Je ťažké posúdiť, či je pôda v celej ploche určenej pre výmenník rovnaká, až kým nebude postavená, a preto je bezpečnejšie vypočítať pre výpočet menšiu hodnotu. V správne vyrobenom systéme pracuje kompresor tepelného čerpadla od 1 800 do 2 400 hodín za rok - nižší tepelný výkon pôdy vedie k dlhšiemu pracovnému času.

Povrch výmenníka tepla sa vypočíta zo vzorca: A = Q chladenie / q g

Príklad: Energetická náročnosť domu na vykurovanie je 14 kW a čerpadlo ich musí úplne uspokojiť (musí pracovať v jednomocnom systéme). Vybrané zariadenie získava tepelný (vykurovací) výkon 14 kW pre parametre B0 / W35, pričom sa dosiahne COP 4, 5 = 4, 5. Chladiaci výkon je preto Q Chł = (4, 5-1) / 4, 5 · 14 = 10, 9 kW, t. J. 10 900 W. Výmenník sa musí robiť v suchej ílovitej pôde, takže jeho povrch by mal byť A = 10 900 / 20 = 545 m2. Pripomíname, že v prípade zvodnenej vrstvy môže byť výmenník tepla takmer polovičný, ale ak je pôda piesočnatá, jej plocha prevezme 1000 m2. V tejto situácii je lepšie umiestniť potrubie zvisle - do studní.

Vertikálny výmenník tepla

Tepelné čerpadlo dosahuje vyšší faktor účinnosti COP, keď sú rúrky výmenníka umiestnené zvislo v zemi - vo vrtoch 40 - 150 m hlboko, čo je spôsobené skutočnosťou, že v hĺbke menej ako 10 m je teplota zeme okolo 10 ° C počas celého roka - tzn. V zime takmer desať viac ako v hĺbke 1, 5 m.

Vertikálny výmenník je však zreteľne drahší ako horizontálny. Jedná sa o zvislé rezy rúrky tvoriace slučku (rúrka steká po studni, otočí sa dozadu a stúpa). Nazývajú sa geotermálne sondy. V tomto prípade nie je vypočítaná plocha, ale celková dĺžka výmenníka obvykle pozostáva z viac ako jednej sondy.

Do vertikálnych jamiek sa umiestni jeden alebo dva páry skúmaviek (U alebo dvojité U sondy). Zavedenie rúry do studne uľahčuje hlava - prvok spájajúci zvislé rúry, ktorý môže byť prispôsobený na použitie doplnkovej plniacej (tlačiacej) rúry. Hlava a rúrky výmenníka sú zasunuté do vyvŕtaného otvoru. Potom sa do otvoru s plniacim potrubím zavedie zmes betónu a cementu.

V výmenníku typu U prúdi tekutina dole do hlavy s jednou rúrkou a druhá sa z nej vracia. V dvojitom U výmenníku - tečie s dvoma rúrkami dole a dvoma hore.

Vzdialenosť medzi vrtmi do hĺbky 50 m by nemala byť menšia ako 5 ma hlbšia od 8 do 15 m. Mali by byť umiestnené v priamke kolmej na smer toku podkožných vôd.

Výpočet dĺžky vertikálneho výmenníka tepla pozemného tepelného čerpadla

V tomto prípade je dôležité uviesť, ako sa vlastnosti pôdy menia s hĺbkou. Tieto informácie môžu byť poskytnuté geologickými mapami a dokumentáciou studní predtým vyvŕtaných v blízkosti. Na tomto základe je možné vyhodnotiť hrúbku jednotlivých vrstiev pôdy a vypočítať priemernú hodnotu koeficientu tepelnej vodivosti l pre plochu, v ktorej majú byť umiestnené rúrky výmenníka. Výpočty však nedokážu zohľadniť všetky pohyby podzemnej vody a v praxi sa často stáva, že získaný výsledok sa výrazne líši od reality. Aby zvislý výmenník fungoval správne, nechajte zeminu otestovať v mieste, kde sa má vykonať. V tomto prípade závisí tepelná účinnosť pôdy qg tiež na jej type.

Pre rúrky PE80 je to:

  • suchá piesočnatá pôda - 10-12 W / m;
  • piesočnatá vlhkosť - 12-16 W / m;
  • stredná hlina suchá - 16 - 18 W / m;
  • stredne hlinitá vlhká - 19-21 W / m;
  • ťažká suchá hlinka - 18-19 W / m;
  • ťažký hlinitý mokrý - 20 - 22 W / m;
  • mokrý (zvodnený) - 25 - 30 W / m

Samozrejme musíte vziať do úvahy hrúbku jednotlivých vrstiev konkrétneho typu pôdy a na základe toho vypočítať celkovú kapacitu každej sondy.

Tepelná účinnosť pôdy, v ktorej sú suchá aj zvodnená vrstva, pomocou dvojitých sond U (štyri rúry v studni) je priemerne okolo 50 W / m. Dá sa teda predpokladať, že v prípade tepelného čerpadla uvažovaného v príklade výpočtu horizontálneho tepelného výmenníka (s chladiacou kapacitou 10, 9 kW) sú potrebné studne s celkovou dĺžkou L = 10 900/50 = 218 m, t. J. Napríklad každé štyri 55 m.

Tepelné čerpadlo v zemi: menej energie znamená lacnejšiu inštaláciu

Investičné náklady sú priamo úmerné tepelnému výkonu zariadenia. Preto, napriek tomu, že faktor účinnosti pozemného čerpadla sa pri nástupe silného mrazu neklesá, stojí za zváženie použitie tepelného čerpadla v bivalentnom systéme.
Najjednoduchšie je vybaviť ho okamžitým elektrickým ohrievačom vody (zvyčajne sa ponúka ako príslušenstvo - na inštaláciu do krytu tepelného čerpadla). Potom sa určí dvojväzbový bod a určí sa potrebný tepelný výkon čerpadla. Ak má čerpadlo vykurovať dom v tretej klimatickej zóne a predpokladáme, že pod vonkajšou teplotou -10 o C ho môže podporovať elektrický ohrievač, potom jeho tepelný výkon môže byť o 25% nižší ako projektované tepelné zaťaženie vypočítané podľa PN-EN 12831. Náklady na výrobu pozemného výmenníka tepla budú tiež nižšie.

V uvažovanom príklade stačí namiesto chladiacej kapacity 10, 9 kW 8, 2 kW, a preto horizontálny výmenník môže mať 410 m 2 namiesto 545 m 2 a vertikálny výmenník 164 m namiesto 218 m. Okrem nižšej ceny je preto potrebné menšie množstvo miesto.

Ktoré potrubia pre pozemný výmenník tepla?

Dĺžka jednej slučky (cirkulácie) je obmedzená - vyplýva z výkonu obehového čerpadla, v ktorom je pozemné tepelné čerpadlo obvykle vybavené v továrni (ak nie, dĺžka potrubí a príslušné obehové čerpadlo je vybraná projektantom inštalácie). Prípustná dĺžka potrubia sa musí prečítať z technických údajov zariadenia. Závisí to od priemeru a typu použitej pracovnej tekutiny (soľanka). V prípade tepelných čerpadiel s výkonom do niekoľkých kilowattov sa používa jedna až štyri slučky s dĺžkou 100 - 400 m, s priemerom potrubia od DN25 do DN65 (v závislosti okrem iného od materiálu, z ktorého je potrubie vyrobené). Pre horizontálne výmenníky sa najčastejšie používajú polyetylénové rúrky PE100 (ak v zemi nie sú žiadne kamene) alebo PE100 RC, rúrky PE80 sa môžu použiť pre vertikálne rúrky. Pozemné tepelné výmenníky sú tiež vyrobené z PE-Xa, polyetylénových (PB) a medených rúr v plastovom plášti.

Potrubia výmenníka tepla zeme musia byť naplnené kvapalinou, ktorá nezmrazuje pri negatívnej teplote, s istotou sa predpokladá, že do -15 o C, hoci tepelné čerpadlo má ochranu, ktorá ho vypína pri -7 o C (potom zastaví chladenie zeme). Pretože atmosférický vzduch je ešte chladnejší, potrubie výmenníka tepla mu nesmie byť nikde vystavené - musí byť zakopané do zeme v hĺbke najmenej 0, 5 m, prípadne izolované. V blízkosti priechodu potrubí cez stenu budovy je potrebná izolácia, aby pôda nezmrzla až do 2 m od základu, čo by mohlo spôsobiť stavebnú katastrofu.

Pracovná tekutina v inštalácii pozemného tepelného čerpadla

V minulosti sa soľný roztok NaCl používal v zariadeniach prepravujúcich teplo zo zeme, odtiaľ sa používa termín - slané čerpadlá -, ktorý sa používa dodnes. Soľanka sa dlho nepoužívala. Najobľúbenejší je vodný roztok propylénglykolu považovaný za ekologický. Všeobecne sa odporúča naplniť zariadenie - pre takéto použitie sa dá kúpiť ako hotová pracovná tekutina. Pri jej výbere by sa mali riadiť odporúčaniami výrobcu tepelného čerpadla, pretože tekutina môže obsahovať rôzne prísady inhibítorov, stabilizátorov, antioxidantov a odpeňovadiel. Propylénglykol má nielen dostatočne nízky bod tuhnutia, ale tiež nespôsobuje koróziu kovov, nerozpúšťa plasty a nespôsobuje zašpinenie čerpadiel. Jeho hustota a viskozita, ktorá sa premieta do množstva energie potrebnej na čerpanie, je však vyššia ako voda, a preto sa používa v nie veľmi vysokej koncentrácii (34%). Samozrejme existuje veľa tekutín, ktoré nezamrznú pri -15 ° C. Často sa používa aj roztok etylénglykolu, ale považuje sa za škodlivý pre životné prostredie, pretože je jedovatý a biologicky nedegraduje.

Etanol má tiež dobré vlastnosti - jeho najväčšou výhodou je nízka viskozita a hustota, vďaka ktorej jeho čerpanie spotrebuje menej energie. Jeho použitie nie je populárne z dôvodu jeho horľavosti, vysokej prchavosti, intenzívneho zápachu a predovšetkým nedostatku mazacích vlastností, ktoré môžu spôsobiť zablokovanie obehového čerpadla. Preto niektorí výrobcovia ich používanie zakazujú.

Kategórie:

Ohrievanie