Понимание основ проектирования теплового насоса с заземлением (замкнутый контур): Часть 1

Геотермальный тепловой насос — замечательная технология, которая будет иметь жизненно важное значение для достижения целей энергоэффективности в этом столетии. Эта технология не нова, но она становится все более приемлемой в качестве жизнеспособного решения для крупномасштабных высокоэффективных систем ОВКВ. Существует два основных типа систем тепловых насосов с использованием грунтовых вод: те, которые представляют собой «грунтовые воды» (также называемые открытым контуром), и те, которые «подключаются к земле» (также называемые замкнутым контуром), см. рис. 1 ниже. В любом случае вода из земли перекачивается к тепловому насосу, где тепло либо извлекается из земли, либо отводится в землю и перемещается в кондиционируемое пространство или из него.

Рисунок 1. Два основных типа геотермальных тепловых насосов

При проектировании систем геотермальных тепловых насосов необходимо учитывать множество важных соображений. Одним из соображений проектирования, которое иногда упускают из виду, является расчет теплового баланса заземления.соединенный система. При проектировании системы теплового насоса с заземлением вместо отвода тепла в скважину с грунтовыми водами отбор или отвод тепла происходит за счет теплопередачи между замкнутыми контурами и землей, эффективно используя подземные трубы в качестве теплообменника в земле. Проектировщик должен хорошо понимать теплообмен между землей и перекачиваемой водой в подземных трубах, чтобы оптимизировать конструкцию и обеспечить производительность в течение всего срока службы системы.

Исходными соображениями, которые имеют решающее значение для проектирования системы, являются подземные свойства предполагаемого участка бурового поля. Состав земли под участком будет определять глубину скважин, которые можно пробурить, а слои материалов также будут определять скорость теплопередачи между трубопроводом в вертикальных скважинах и землей, непосредственно прилегающей к скважинам. Чтобы понять способность грунта отводить тепло от скважины (также известную как теплопроводность грунта), необходимо пробурить тестовую скважину и выполнить тест отклика на тепловые характеристики.

Рис. 2. Пример установки для тестирования теплового отклика с замкнутым контуром

Возможно, вы слышали, что земля поддерживает постоянную температуру под землей, поэтому вам может быть легко думать о земле как о бесконечном источнике тепла или поглотителе тепла, что означает, что земля будет поддерживать свою температуру в течение года независимо от того, что отбрасывают колодцы или извлекать. В действительности земля имеет ограниченную способность извлекать из нее тепло или отдавать в нее до того, как она остынет или нагреется слишком сильно, чтобы ее можно было использовать для работы теплового насоса. Это связано с тем, что грунт имеет относительно высокое тепловое сопротивление, а это означает, что тепло, извлекаемое из него или отводимое в него, с трудом рассеивается в области, непосредственно окружающей скважинный теплообменник.

Например, теплопроводность гранита составляет около 1.7-4 (Вт/м*К), тогда как земля или почва может варьироваться от 0.33 до 1.4 (Вт/м*К). Для сравнения, плотный бетон имеет проводимость 1.0-1.8 (Вт/м*К)[1]. Из-за этого теплового сопротивления может быть полезно думать о земле, окружающей буровое поле, как о батарее, которая может заряжаться теплом летом, когда ваше здание охлаждается, и разряжаться зимой, когда вы извлекаете тепло. чтобы ваше здание было теплым. Аккумулятор работает хорошо, когда он получает одинаковое количество зарядок и разрядок в течение года, но в конечном итоге он разрядится, если вы разряжаете больше, чем перезаряжаете каждый год.

Эта разрядка и подзарядка зависят от того, насколько тепло и охлаждает здание геотермальный тепловой насос. При проектировании теплового насоса, подключенного к земле, позаботьтесь о том, какие нагрузки будет обслуживать система теплового насоса. Система теплового насоса в жилом или коммерческом помещении с минимальным внутренним коэффициентом полезного действия может просто обслуживать тепловые и охлаждающие нагрузки ограждающих конструкций, и в этом случае температура наружного воздуха является движущим фактором того, сколько тепла вам необходимо извлекать и отводить в ходе эксплуатации. год. Если проектируемое пространство имеет больший внутренний выигрыш от оборудования, людей и т. д., то нагрузки, обслуживаемые системой теплового насоса, не будут так сильно зависеть от условий наружного воздуха. В Вермонте мы определенно находимся в климате, управляемом отоплением. ASHRAE Fundamentals сообщает нам, что, исходя из проектных условий для международного аэропорта Берлингтона, градусо-дни нагрева (HDD 18.3C) составляют 4015, а градусо-дни охлаждения (CDD 18.3C) составляют 292. Очевидно, что установлена система теплового насоса с заземлением. в таком климате будет извлекаться больше тепла в год, чем отводится в год для обслуживания нагрузки оболочки данного здания. Это создает дисбаланс для геообменных колодцев для системы теплового насоса, размеры которой позволяют справиться со всей тепловой нагрузкой здания.

Этот дисбаланс в нагрузках на отопление и охлаждение здания в течение года имеет серьезные последствия для системы теплового насоса, подключенной к земле. Самым большим следствием этого является то, что любая система теплового насоса, подключенная к земле, не сможет справиться с пиковыми отопительными нагрузками без значительного увеличения размеров оборудования для охлаждения. Система, которая не принимает во внимание дисбаланс годовых тепловых нагрузок и охлаждающих нагрузок на температуру грунта, в конечном итоге приведет к системе, которая со временем переохлаждает грунт и в какой-то момент приведет к такой температуре контура скважины. холода, тепловые насосы не смогут извлекать достаточно тепла для поддержания условий внутри здания.

Проектировщики должны знать о нюансах проектирования, связанных со скважинами, соединенными с землей, и их влиянии на конструкцию теплового насоса, использующего грунт. Несмотря на то, что существуют проблемы, которые могут возникнуть из-за термически несбалансированной системы теплового насоса, связанной с землей, проектировщики и владельцы должны знать, что существуют также варианты системы теплового насоса, работающей от земли, предназначенные для достижения более сбалансированной системы. Некоторые из вариантов способны повысить общую эффективность системы теплового насоса, и все они позволяют создать высокоэффективную систему, устойчивую к внешним воздействиям и способную работать с высокой производительностью в течение многих лет.

Оставайтесь с нами для части 2, где мы обсудим различные варианты смягчения последствий термически несбалансированной системы теплового насоса, соединенной с землей, и способы достижения улучшенной производительности системы теплового насоса, связанной с землей.

Модуль 13: Проектирование воздушных тепловых насосов для отопления и горячего водоснабжения.

Перед Великобританией стоит непростая и юридически обязывающая цель – к 15 году производить 2020% своей энергии из возобновляемых источников энергии. Стратегия правительства по возобновляемым источникам энергии признает потенциал коммерческих зданий для внесения своего вклада в этот сдвиг, и потенциал тепловых насосов, работающих на воздухе, уже начинается. быть признанным. В декабре 2008 года Европейский парламент принял директиву ЕС о содействии использованию возобновляемых источников энергии, которая расширила определение возобновляемых источников энергии, включив в него воздушные и водные тепловые насосы в дополнение к геотермальным тепловым насосам. Теперь все три технологии продвигаются в рамках политики ЕС, направленной на то, чтобы побудить государства-члены увеличить использование возобновляемых источников энергии, и это постановление войдет в британское законодательство в 2010 году.

Опубликовано в феврале 2010 г.

В этой статье CPD рассматриваются некоторые практические вопросы выбора и применения тепловых насосов воздух-вода. Для введения было бы полезно вернуться к статье CPD за май 2009 г., где описаны основные принципы работы теплового насоса с соответствующими характеристиками. Обратите внимание, что эффективность теплового насоса определяется с помощью коэффициента полезного действия (COPh) (нагрев) или коэффициента энергоэффективности (EER) (охлаждение).

COPh = полезная теплопроизводительность (кВт) / мощность, потребляемая системой (кВт)

Значения между 2 и 5 достижимы для воздушных тепловых насосов, производящих горячую воду. КПД главным образом зависит от рабочих температур теплового насоса, температур испарения и конденсации, а также от температуры всасываемого воздуха и требуемой температуры горячей воды. Что касается повышения эффективности, то если температуру испарения можно повысить на 1 К, а температуру конденсации снизить на 1 К, производительность системы возрастет довольно значительно, от 4 до 8%. На рис. 1 показано изменение COPh для типичного теплового насоса воздух-вода в диапазоне мощностей от 3 до 15 кВт. Как только температура воздуха и воды становится фиксированной, повышение эффективности достигается за счет конструкции и выбора теплообменника, а также совершенствования компрессоров и средств управления.

Рис. 1: Производительность теплового насоса воздух-вода при температуре горячей воды 35ºC и 50ºC

Тепловые насосы чаще всего применяются для отопления помещений, охлаждения помещений, а также для производства запасов горячей санитарно-технической воды.

В режиме обогрева тепловые насосы всегда оптимизируют свою эффективность при низких температурах воды и наиболее эффективно устанавливаются в сочетании с низкотемпературными системами распределения тепла, как правило, с напольным отоплением или вентиляторными конвекторами. Если используются обычные радиаторы, они должны быть достаточно больших размеров, чтобы обеспечить эффективную работу при более низких температурах потока воды. Производители радиаторов предоставляют таблицы для расчета мощности радиатора в диапазоне средней температуры потока воды.

В случае напольного отопления проектировщики должны убедиться, что матрица труб под полом спроектирована с учетом работы при низких температурах (в идеале 35ºC – 40ºC); это в значительной степени зависит просто от расстояния между трубами.

Широко распространенное заблуждение о тепловых насосах заключается в том, что они подходят только для обогрева помещений, да и то только при низких температурах воды. Тем не менее, тепловые насосы также могут обеспечивать обильное количество горячей воды либо в качестве единственного водонагревательного прибора, либо, при желании, в сочетании с другим источником тепла, таким как солнечный или котел, работающий на ископаемом топливе.

Читайте также:

Можно ли класть плитку на бетон?

Рис. 2: Процедура выбора, шаг 1

По мере увеличения температуры потока горячей воды эффективность теплового насоса (коэффициент производительности) действительно падает, но даже при относительно низком COPh, равном 2, это все еще эквивалентно с точки зрения CO.₂ выбросов в систему, работающую на газе. Тепловой насос с хорошей конструкцией и размерами обычно работает выше этого значения, даже для производства горячей воды. Новые поколения технологий воздушных источников, предлагаемые некоторыми производителями, теперь предлагают производительность, сравнимую с наземными источниками, с высокими КПД при низких температурах окружающей среды. Кроме того, включение возобновляемых источников энергии приносит и другие преимущества. Например, недавняя установка в отеле Travelodge использовала три воздушных тепловых насоса мощностью 28 кВт для предварительного нагрева горячей воды для бытовых нужд в отеле, что помогло достичь доли возобновляемой энергии, необходимой для соответствия правилу Мертона, а также обеспечить соответствие строительным нормам. Правила Часть L.

размораживание

Разработчики спецификаций должны также учитывать энергетическое воздействие требования воздушного теплового насоса размораживать испаритель для удаления льда при низких температурах окружающей среды. Чаще всего это достигается переключением теплового насоса в режим обратного цикла. Когда это происходит, внешний теплообменник (испаритель) становится конденсатором, а горячий хладагент используется для удаления льда. При работе в этом режиме электричество продолжает потребляться компрессором, а тепло отводится от радиатора (т. е. конденсатор временно становится испарителем). Это основная причина, по которой воздушные тепловые насосы всегда следует устанавливать вместе с буферным резервуаром, поскольку это предотвращает отвод тепла из системы отопления здания при работе в цикле оттаивания.

Обычно цикл оттаивания происходит при температуре окружающей среды примерно от 10ºC до 0ºC. В морском климате Великобритании, где они отражают типичные зимние температуры, поэтому очень важно учитывать эффективность цикла оттаивания и чтобы производительность, указанная производителями, включала энергопотребление цикла оттаивания.

Выбор теплового насоса

Для новостроек ситуация простая. Расчетная отопительная нагрузка определяется для конкретной зимней расчетной температуры окружающего воздуха. Определяется тип источника тепла (радиаторы, теплые полы, фанкойл и т. д.), который определяет требуемую температуру воды. Теплые полы и фанкойлы могут работать при температуре воды 35ºC, а для радиаторов нужна вода минимум до 55ºC.

Если система теплового насоса модернизируется в существующем здании, в котором была система котла на газе/мазуте, необходимо учитывать следующие факторы:

Для каждого источника тепла (скорее всего, радиатора) необходимо определить правильные фактические температуры подающей и обратной воды в расчетных условиях.
Если требуемая температура подачи составляет менее 55ºC для всех эмиттеров, никаких дополнительных мер по ремонту не требуется.
Если температура потока в некоторых радиаторах превышает 55ºC, эти радиаторы необходимо заменить на более крупные поверхностные теплообменники.
Если температура подачи выше 65ºC для всех радиаторов и замена невозможна или нежелательна, необходимо использовать высокотемпературный тепловой насос.

Выгода будет достигнута, если теплопроизводительность может быть снижена за счет снижения потерь на инфильтрацию воздуха, улучшения теплоизоляции здания и модернизации остекления, и все это в соответствии с последними строительными нормами. Результатом этого является не только снижение потребности в отоплении, но и снижение температуры воды, необходимой для нагрева.

Точный выбор воздушного теплового насоса (ASHP) для удовлетворения потребностей в диапазоне температур наружного воздуха абсолютно необходим. Помните, что мощность АСВД зависит от температуры источника тепла и температуры подачи воды, поэтому как эффективность, так и номинальная мощность снижаются в более холодное время года. Мощность теплового насоса должна соответствовать потребности в энергии в холодные периоды. Следующий пример иллюстрирует факторы, которые необходимо учитывать. На Рисунке 2 потребность в отоплении показана красной линией в размере 11 кВт, расчетная температура в помещении составляет 21ºC, а расчетная температура окружающего воздуха составляет -3ºC (зеленая). Диагональная фиолетовая линия пересекает кривую производительности теплового насоса, что дает бивалентную или балансовую точку (1ºC окружающей среды). Как видно из рисунка 3, тепловой насос обеспечивает 100 % потребности в отоплении в этой точке баланса.

Рис. 3: Процедура выбора, шаг 2

Когда температура окружающего воздуха падает ниже точки баланса, на Рисунке 4 показано, как увеличивается потребность в тепле, а мощность теплового насоса падает, так что необходимо обеспечить около 3 кВт дополнительного тепла. Другими факторами, которые могут повлиять на мощность теплового насоса, являются:

Скорость ветра влияет на вентилятор наружного блока
Позиционирование относительно здания (мертвые зоны)
Ориентация и затенение
Географическая высота и площадь
Требования к разморозке

Хранение горячей воды

Способность обеспечивать достаточно высокую температуру воды для хранения горячей воды также важна как с точки зрения эффективности, так и для соблюдения законодательства по охране труда и технике безопасности, направленного на предотвращение легионеллеза. Для тепловых насосов, предназначенных в первую очередь для производства горячей воды, высокотемпературные модели могут достигать температуры хранимой горячей воды до 65ºC без необходимости дополнительного нагрева. Обычно в них используются хладагенты, такие как R290 (пропан) или R134a, для достижения более высоких температур в цикле сжатия пара. Тепловые насосы с более низкой температурой потребуют поддержки от дополнительного источника тепла для достижения максимальной температуры — это может быть другой источник тепла, например, котел на ископаемом топливе или электрический погружной нагреватель.

Правильный выбор водонагревателя с теплообменником подходящего размера для обеспечения максимальной теплопередачи очень важен, поскольку для систем с тепловым насосом обычно требуется большая площадь поверхности теплообменника. Это особенно важно для воздушных тепловых насосов, чтобы обеспечить максимальную температуру хранимой горячей воды в летние месяцы, когда мощность теплового насоса увеличивается из-за более высоких температур окружающего воздуха. Спецификация цилиндра для воздушных тепловых насосов поэтому должна быть тщательно рассмотрена в соответствии с рабочими характеристиками теплового насоса.

Коммерческие цилиндры, совместимые с тепловыми насосами, доступны в размерах до 4,000 литров, при этом размеры змеевика изготавливаются на заказ в соответствии с точной спецификацией. Гибридные системы солнечных тепловых и тепловых насосов также возможны и становятся все более популярными. Интеллектуальное управление тепловым насосом может оптимизировать использование солнечной энергии до включения компрессора теплового насоса. Использование отработанного тепла также является интересным применением тепловых насосов. Тепловые насосы, установленные в первом супермаркете в Ирландии, построенном в соответствии со стандартами Passivhaus, используют отработанное тепло холодильных шкафов при температуре около 30ºC, которое циркулирует непосредственно по системе и используется для обеспечения горячей водой при температуре 60ºC в столовой и туалетах для персонала, а также в туалетах для клиентов. .

Рис. 4: Процедура выбора, шаг 3

В нынешних экономических условиях многие предприятия сочтут затраты на новую возобновляемую систему отопления неприятными. Но управляющие зданиями должны помнить, что в 2011 году вступит в силу программа стимулирования возобновляемой тепловой энергии (RHI), которая обеспечит прямую финансовую отдачу за каждый киловатт-час выработанного возобновляемого тепла. А чтобы свести к минимуму влияние первоначальных капитальных затрат на установку, схемы лизинга могут покрывать все расходы по проекту и распределять затраты на срок до 15 лет. Погашения очень часто можно покрыть за счет экономии на счетах за топливо, и платежи от RHI также внесут полезный вклад.

Рис. 5: СО₂ Выбросы и стоимость срока службы для различных видов топлива

На рисунке 5 показаны общие затраты за весь срок службы для различных видов топлива, а также общий объем выбросов CO.₂ выбросы (электроэнергия из расчета 0.422 кгCO₂ /кВтч) за трехкомнатную новостройку на 20 лет. Тепловые насосы являются жизнеспособным вариантом в коммерческих зданиях для горячего водоснабжения, а также для отопления помещений, предлагая большую гибкость при установке и проектировании системы. Это вопрос выбора правильного теплового насоса для конкретной задачи и его размещения для достижения оптимальной производительности.