Повышение энергоэффективности теплонасосов с подземными коллекторами и системой увлажнения

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Специальность 05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОНАСОСОВ С ПОДЗЕМНЫМИ КОЛЛЕКТОРАМИ И СИСТЕМОЙ УВЛАЖНЕНИЯ

ПОРОМПКА СВЕН

Москва - 2011

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент МАХОВ Леонид Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук ВАСИЛЬЕВ Григорий Петрович кандидат технических наук САСИН Виталий Иванович

Ведущая организация: НИИ строительной физики РААСН

Защита состоится «_____»___________ 2011 г. в ____ на заседании диссертационного совета Д 212.138.10 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, 26, МГСУ, аудитория № .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет».

Автореферат разослан « » ______________ 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Орлов В.А.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Залежи таких полезных ископаемых, как нефть, природный газ, уголь, которые используются в промышленности, истощаются. Ограниченность запасов и нанесение вреда окружающей среде, прежде всего изменение климата под воздействием выбросов СО2, вынуждает к переходу на генерацию энергии от возобновляемых источников и использованию методов энергосбережения. Основная цель всего человечества, в особенности научно-исследовательских центров, занимающихся вопросами энергии, заключается в разработке новых и более эффективных технологий производства возобновляемой энергии.

1 июня 2005 г. кабинет министров Федеративной Республики Германия утвердил 5-ую программу в области исследования методов получения энергии «Инновации и новые технологии». Данная программа является основой политики Федеративной Республики на ближайшее время по развитию исследований в таких областях, как эффективное использование энергии и производство возобновляемой энергии.

Очень важно снизить расход энергии, необходимый для производства определенной продукции или оказания услуги. Прежде всего, учитывая экологический и экономический факторы, большую роль в области оптимального распределения энергии играет возобновляемые виды энергии, для которых «топливо» производится практически бесплатно. Также, при применении известных методов отсутствуют классические проявления нанесения вреда окружающей среде - нет выделений опасных веществ, например, СО2, SO2 и NOx, а также вредного воздействия шума.

Несмотря на то, что возобновляемая энергия обладает массой преимуществ, ее использование влечет за собой существенные сложности. Нужно искать новые оригинальные технические решения, чтобы, сочетая и используя разные формы возобновляемой энергии и применяя современные методы управления энергетическими ресурсами во всем мире, сгладить недостатки стохастического доступа к источникам возобновляемой энергии, недостаточность плотности при распределении энергии и высокие инвестиционные затраты, а также гарантировать оптимальную эксплуатацию первичных энергоносителей.

Цель и задачи работы. Целью диссертации является разработка научно обоснованных решений по повышению энергетической эффективности тепловых насосов с использованием подземных коллекторов, как источника теплоты, применяя запатентованную систему увлажнения коллектора естественными дождевыми осадками.

Реализация поставленной цели достигается решением следующих задач:

- описание и рассмотрение существующих схемных решений по использованию тепловых насосов с различными источниками теплоты;

- анализ существующих методов оценки энергетической эффективности тепловых насосов;

- оценка возможности использования подземных коллекторов с системой их увлажнения дождевой водой;

- разработка методов и определение последовательности проведения экспериментальных и расчетных исследований;

- разработка схемного решения и конструкции теплового насоса с использованием увлажняемого подземного коллектора;

- разработка и описание лабораторной установки для проведения экспериментальных исследований;

- разработка методов и оценка точности измерения исследуемых параметров работы лабораторной установки в ходе экспериментальных исследований;

- расчет методом моделирования параметров оценки энергоэффективности разработанной системы;

- сравнение результатов расчетного моделирования и проведенных экспериментальных исследований;

- разработка способов конструктивного улучшения системы увлажнения по результатам проведенных исследований;

- оценка погодных условий с учетом модуля дождевых осадков на территории Германии;

- оценка экономической эффективности использования разработанной схемы использования теплового насоса;

- формулирование основных выводов по результатам проведенных исследований.

Научная новизна работы. Научной новизной работы являются:

- определение взаимосвязи между увлажнением подземного коллектора и повышением значения годовой выработки насоса в;

- разработка алгоритма увлажнения дождевой водой;

- сравнение результатов моделирования и теоретических расчетов с экспериментальными результатами;

- сравнение с другими системами отопления с точки зрения экономичности;

- расчет дополнительных затрат на установку системы увлажнения подземного коллектора.

Практическая ценность работы. Практическую ценность работы определяют:

- комплекс компьютерных и теоретических моделей, подтверждающих значения величины в на основе программы моделирования „WP-ОPT" и правил VDI 4650 Союза немецких инженеров;

- компьютерные модели температуры земли и температуры рассола с использованием программы „WP-OPT“;

- конструирование и описание запатентованной системы увлажнения;

- натурный экспериментальный монтаж плоского коллектора с системой увлажнения;

- рекомендации по оптимальному монтажу подземного коллектора;

- рекомендации по улучшению конструкции систем увлажнения плоских коллекторов;

- рекомендации по расчету необходимого количества дождевой воды для увлажнения подземного коллектора.

Реализация на практике результатов работы. Экспериментальная система плоского коллектора для съема тепловой энергии из грунта была установлена в корпусе I, в котором находятся основные лаборатории университета г. Лейпцига. В качестве коммерческого проекта запатентованная система увлажнения подземного коллектора была установлена в более чем 30-ти одно- и двухквартирных домах. Жилая площадь этих домов составляет от 90 до 230 м2. В каждом доме смонтировано напольная система отопления. Все дома имеют эффективную теплоизоляцию. Подземные коллекторы с системой увлажнения дождевой водой были установлены в местах, где бурение для геотермальных целей запрещено.

Личное участие. Все основные результаты работы получено лично автором. Использованные результаты других исследований отмечены ссылками на соответствующие литературные источники.

Достоверность научных положений, выводов и результатов обоснована применением классических положений теории математического анализа и физического моделирования изучаемых процессов, планированием числа экспериментов и подтверждением удовлетворяющей сходимостью полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований, а также результатами других авторов.

На защиту выносятся:

- натурная экспериментальная установка плоского коллектора с системой увлажнения;

- рекомендации по оптимальному монтажу подземного коллектора с системой увлажнения;

- рекомендации по улучшению конструкции систем увлажнения плоских коллекторов;

- рекомендации по расчету необходимого количества дождевой воды для увлажнения подземного коллектора.

Апробация результатов работы. Основные положения работы докладывались и получили одобрение: на международной выставке ISH (Франкфурт-на-Майне, 2007 г.); на встречах экспертов общества „ЕURO INNOVATION" (Гера, 2010-2011 гг.), которое основано и работает при поддержке правительства Федеральной Республики Германия; на кафедре отопления и вентиляции МГСУ в 2011 г.; на проводимых в г. Москве (Россия) в 2011 г. международных научно-технических конференциях в НИИСФ и МГСУ.

Публикации. Результаты исследований изложены в 11 печатных трудах, в том числе в зарегистрированных патентах и отдельные разделах Руководства по проектированию электрических тепловых насосов (“Planungsinformation ElektroWдrmepumpe”) и Информационного строительного справочника (“Bauen nach dem Hot-Dog - Prinzip unser Abschied von Цl und Gas”).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографического списка и приложений, содержащих 138 страниц текста, 50 рисунков, 13 таблиц и списка литературы, содержащего 54 наименования работ отечественных и зарубежных авторов. Приложения содержат 41 страниц текста, 24 рисунка и 11 таблиц.

основное Содержание работы

Во введении (первая глава) обоснована актуальность работы, описана энергополитическая ситуация в мире, представлена структура потребления первичной энергии в Германии, сформулированы предпосылки развития производства теплоты из возобновляемой энергии в Германии, приведена статистика производство теплоты из возобновляемой энергии в Германии, описаны различные режимы работы тепловых насосов: моновалентный, бивалентный, моноэнергитеческий.

Во второй главе рассматриваются циклы работы тепловых насосов; коэффициент преобразования и КПД как показатели эффективности тепловых насосов; объясняется роль значений работы отопительных насосов и их влияние на критерий экономичности, а так же дается обзор параметров, которые необходимо учитывать для более экономичного процесса установки теплового насоса.

Цикл Карно - идеальный для любого рабочего цикла теплового насоса, в котором не учитываются потери и позволяющий определить соотношение полезности к затратам. В реальности ни один цикл не протекает без потерь.

Рис. 1. Контур теплового насоса на диаграмме TS

Цикл Карно отображается на диаграмме T-S, где Т- температура и S - энтропия. Преимущество данной диаграммы состоит в том, что перемещаемую теплоту на диаграмме Т-S можно отобразить площадями (рис. 1), где: QC - переданная энергия; Q0 - принятая энергия; PV - мощность компрессора; TC - температура окружающей среды, куда передается теплота; T0 - температура окружающей среды, откуда передается теплота; h - энтальпия.

Значение годовой выработки отопительных тепловых насосов в означает отношение произведенной энергии в виде теплоты (кВт•ч/г.) к использованной всеми компонентами теплового насоса электрической энергии (кВт•ч/г.) за определенный промежуток времени (чаще за 1 год):

в = (произведенная за отопительный период общая полезная энергия) / (электрическая энергия, затраченная на привод)

в = ,

QNutz - отданная за период наблюдения полезная теплота; Wel - использованная за период наблюдения электроэнергия

В третьей главе представлены источники теплоты, устройство горизонтального плоского коллектора и геотермального зонда, преимущества и недостатки каждой из вышеназванных закрытых систем, причем детально рассмотрена работа теплового насоса совместно с плоским коллектором, как главным объектом данной работы.

Грунт является идеальным источником теплоты для теплового насоса, когда он работает в моновалентном режиме. Типичные примеры - подземные геотермальные зонды и плоские коллекторы. Самой популярной конструкцией горизонтального устройства для съема тепловой энергии от грунта является плоский коллектор. Коллекторы просты в установке, их производство не требует больших затрат, поэтому застройщики могут производить их монтаж самостоятельно. Недостаток плоского коллектора состоит в том, что для его укладки необходима значительная свободная площадь, которую не всегда можно выделить на строительной площадке.

Плоский коллектор состоит из проложенных горизонтально в грунте полиэтиленовых петель. Грунт аккумулирует солнечную энергию, которая возобновляется благодаря дождевой воде. Поэтому даже в зимний период в данном источнике теплоты достаточно энергии.

Трубы грунтовых коллекторов можно укладывать друг около друга или друг над другом (рис. 2). Грунтовый коллектор прокладывают примерно на 20 см ниже точки промерзания (на глубину 1,2 - 1,4 м), расстояние между трубами составляет 0,5 - 0,8 м. Грунт на такой глубине сохраняет энергию, так как его температура не опускается ниже 5 °C. Пополнение тепловой энергии происходит благодаря переносу естественной теплоты от солнца, дождевых вод и воздуха.

Рис. 2. Способы размещения плоских коллекторов

Температура возвращающейся в коллектор среды-теплоносителя при непрерывной эксплуатации коллектора (несколько недель) не должна превышать предельный диапазон ±12 K изменения температуры по сравнению с ненарушенной температурой грунта. При максимальной нагрузке данный показатель не должен превышать ±18 K.

Грунтовые коллекторы состоят из труб, которые прокладываются примерно на 20 см ниже глубины промерзания. Такие коллекторы отлично подходят для домов, которые стоят на достаточно большом земельном участке. Площадь свободного земельного участка должна примерно в 1,5 - 2 раза превышать отапливаемую площадь.

Четвертая глава посвящена геологическим и физическим свойствам почвы и влиянию этих параметров на весь процесс установки коллектора от момента проектирования до непосредственно монтажа. В работе рассматриваются сведения из правил Союза немецких инженеров VDI 4640 часть 1 и 2, регламентирующие данные работы в Германии.

Значение годовой выработки теплового насоса находится в диапазоне от 1,8 до 2,4 ч/г., грунтовый коллектор рассчитывается с учетом данных по удельной мощности съема теплоты от грунта, Вт/м2. При более длительной в течение года работе теплового насоса расчет коллектора происходит с учетом допустимого удельного отбора теплоты от грунта. Изъятие теплоты грунта для подземных коллекторов должно находиться в диапазоне от 50 до 70 кВт•ч/м2. Данный показатель действителен для работы системы только в режиме отопления. При изъятии тепловой энергии летом (охлаждение, дополнительная нагрузка) это значение может выходить за рамки указанного диапазона. При проектировании и укладке плоского коллектора нужно учитывать, что температура грунта зависит от мощности изъятия тепловой энергии с того или иного типа почвы. Не обязательно иметь точные сведения о почве. Сейчас с помощью соответствующих программ по моделированию можно правильно уложить плоские коллекторы. Также нужно учесть площадь для абсорбции, которая определяется на основании мощности изъятия тепловой энергии и допустимого годового числа часов работы оборудования. подземный коллектор погодный дождевой

Программа моделирования WP-OPT © идеально подходит для расчета и оптимизации работы отопительных тепловых насосов с плоскими коллекторами. Эта программа является основной для моделирования ситуаций, которые представлены в данной работе.

В пятой главе описывается весь процесс работы с экспериментальной установкой: от обоснования выбора места до окончательного монтажа. Большое внимание уделяется параметрам, которые важно было учесть и протестировать, а также подходы к решению проблем, которые возникали в ходе эксперимента. Вторая часть главы посвящена описанию запатентованной системы увлажнения и сравнительным характеристикам датчиков влажности.

Цель данного испытания - на основании приведенных конечных величин определить расчетный и реальный коэффициент преобразования Карно, а также значение выработки Я. Это позволило сделать вывод относительно влияния различной степени влажности почвы и получить четкое представление об эффективности эксплуатации плоского коллектора с системой увлажнения. Для этого необходимо принять исходные величины, а возмущающие переменные величины, такие как дождь, комнатная температура необходимо удерживать на одном уровне. Такой фактор влияния, как содержание воды в почвенных капиллярах при проведении испытания является переменной величиной.

Перед проведением данного испытания при помощию программы моделирования было вычислено значение годовой выработки Я теплового насоса. Значение Я смоделировано для 3-х примеров, данное значение вместе с моделированием, основанием для которого является соответствующие правила Союза немецких инженеров, доказывает, что результаты моделирования для определения значения годовой выработки Я подтверждаются инженерно-техническим методом составления расчетов.

Расчеты проводились с разным содержанием воды в сухом, влажном и мокром песке при изменении его коэффициент теплопроводности от 0,4 до 2,7 Вт/(м•К). В качестве места установки грунтового коллектора для съема тепловой энергии от грунта была выбрана площадка с зелеными насаждениями возле корпуса I, где находятся основные лаборатории университета г. Лейпцига. Согласно расчетам DIN EN 12 831 необходимая стандартная отопительная нагрузка для выбранного объекта составляет 3,07 кВт. Для того чтобы установка работала непрерывно, тепловой насос типа «рассол-вода» должен работать именно с такой заданной производительностью. Решающее значение для экономичного режима работы теплового насоса имеет параметр, который образуется из отношения переданной за весь год в отопительную систему и в систему горячего водоснабжения энергии ко всей затраченной электроэнергии (Я), который сравнивается с годовым коэффициентом эксплуатации отопительной установки.

Расчеты показали, например, что поток теплоты на грунтовый коллектор с системой увлажнения почти вдвое выше, чем без этой системы.

Рис. 3. Схема теплопереноса с системой увлажнения и капиллярным эффектом	Параметры слоя определялись для сухого песка без системы увлажнения - 0,98 м2·К/Вт, с системой увлажнения - 0,78 м2·К/Вт. Таким образом, можно сделать вывод, что чем меньше параметр слоя, тем больше тепловой поток к трубе плоского коллектора. Плоский коллектор установлен на площади 3 х 3 м, на глубине 1,2 м. Материал трубы - полиэтилен PE PN06, размером 32 х 2,9 мм; расстояние между петлями труб составляет от 0,5 до 0,7 м (рис. 3). Анализ почвы участка показал, что в данном случае речь идет о насыпи из песка и глины с пахотным слоем.

В соответствии с правилами Союза немецких инженеров VDI 4640, часть 2, было определено значение допустимой удельной мощности теплосъема 25 Вт/м2. С помощью программы Excel была определена общая длина трубы (6 контуров по 3 м с шагом 0,5-0,7 м, трубы РЕ PN 0,6 32х2,9 мм). Оборудование для измерения температуры и давления, а также мембранный расширительный бак с предохранительным клапаном устанавливаются согласно рис. 4. В последнюю очередь на плоском коллекторе крепится система увлажнения со всеми элементами. Плоский коллектор с системой увлажнения соединяется с подающей и обратной линией рассольного контура испарителя теплового насоса. В данной системе заполнена смесь гликоля с водой, которая защищает трубу от замерзания даже при температуре -15 °C. Такая смесь также предотвращает образование в системе коррозии. Так как речь идет о закрытой системе, то для циркуляции рассола между коллектором и тепловым насосом требуется рассольный насос. Плоский коллектор уложен в песчаные слой глубиной 30 см (10-сантиметровая песчаная подушка под трубами коллектора, песчаная засыпка 20 см). Контуры коллектора уложены в форме улитки, которая обусловлена размерами участка. Система увлажнения, перенесенная под землю, состоит из водопроводных шлангов с открытыми порами. В зависимости от участка шланги укладывают на глубине до 0,7 м. В зависимости от влажности грунта, по мере надобности, эта система увлажняется собираемой дождевой водой. Интенсивность увлажнения от системы шлангов примерно составляет 4 л/(м•ч).

Рис. 4. Габариты и особенности плоского коллектора с системой увлажнения

В ходе эксперимента было важно доказать, что значение годовой выработки Я будет увеличиваться в зависимости от соответствующего повышения влажности используемого грунта. Для этого грунт постепенно увлажнялся согласно точно определенному временному графику и заданной степени влажности.

Установка была смонтирована таким образом, чтобы теплота от водяного конденсатора передавалась на поверхность нагрева. Так как лаборатория находится в прохладном подвале, поверхность нагрева может принимать теплоту круглый год. Достаточно быстро было определено, что теплоотдача первой поверхности нагрева составила примерно 500 Вт. Данный показатель был слишком мал. Поэтому установили поверхность нагрева с большими габаритами, примерно на 1,5 кВт.

За счет такой поверхности нагрева всю лаборатория могла отапливаться от теплового насоса, работающего в моновалентном режиме. Температура подающей линии системы отопления составляла 55 °C, потребление теплоты поверхностью нагрева - 1500 Вт, средняя комнатная температура в лаборатории в течение всей серии испытания составила 21 °C, что позволяет сделать вывод о стабильности работы источника теплоты.

Патент DE 10200106 A1, который взят за основу в данной работе, позволяет достигнуть следующих целей: изготовление плоского коллектора для теплового насоса типа рассол-вода в сочетании с системой увлажнения; повышение эффективности плоского коллектора благодаря дополнительному увлажнению; уменьшение времени рекультивации грунта вокруг плоского коллектора в течение межотопительного периода благодаря непосредственному перемещению теплоты от теплого дождя; повышение эффективности при производстве технической воды в течение неотопительного сезона благодаря непосредственному поступлению теплоты от дождевой воды; сокращение налога на отвод сточных вод благодаря отсутствию «выпавших осадков»; минимизация затрат на подземные работы и установку за счет использования метода горизонтального бурения и ракет для взрывания грунта.

На рис. 5 представлен основной принцип использования плоского коллектора совместно с системой увлажнения (линии синего цвета). Линии красного цвета являются системой труб - это предыдущий плоский коллектор, исполненный с последовательным соединением труб. Трубная система, которая изображена синим цветом, и является техническим новшеством патента. Дождевая вода, которая стекает по крыше с обеих сторон дома, в данном случае не попадает в канализационную систему, а с помощью изображенных синим цветом напорных труб подает дождевую воду к изображенным серым цветом распределительным и контрольным шахтам.

Рис. 5. Конструкция и схема укладки плоского коллектора по патенту

Благодаря распределительным шахтам дождевая вода распределяется по всему плоскому коллектору. Второй плюс данного изобретения заключается в значительном сокращении налога на отвод сточных вод при устройстве системы для использования дождевой воды. В качестве примера рассмотрим частный дом, в котором ежегодный объем потребляемой питьевой воды 150 м3 и имеется 60 м3 выпавших осадков на 120 м2 площади. Единый налог на питьевую воду - 2,30 евро, налог за отвод дождевой воды с участка - 0,7 евро. Экономия по сравнению с системой без использования дождевой воды составляет 105 евро/г.

На рис. 6 представлен улучшенный плоский коллектор с системой увлажнения, где: 1 - плоский коллектор; 2 - пластмассовая труба PE 32Ч2,9 мм; 3 - соединительное колено; 4 - траншея для укладки труб - начальный котлован; 5 - траншея для укладки труб -



Рис. 6. Улучшенный плоский коллектор конечный котлован; 6 - система увлажнения; 7 - труба увлажнения; 8 - контрольная и распределительная шахты; 9 - контрольная и промывная шахты; 10 - облицованная нетканым полотном дренажная труба; 11 - запорный механизм.

В шестой главе проведена оценка результатов испытаний. В качестве критериев были выбраны такие величины, как коэффициент преобразования Карно; реальное число коэффициента преобразования; недельная выработка теплового насоса; изменение температуры в течение времени проведения испытания.

В первый день эксперимента температура грунта была неизменной, грунт искусственно не увлажнялся. За весь период в грунт было вылито 0,76 т воды. Грунт до последнего дня эксперимента была нагружена с максимальной мощностью изъятия теплоты 679 Вт.

Коэффициент преобразования Карно с 7,89 в первый день проведения испытания падает до 7,7 в последний день проведения испытания, то есть уменьшается примерно на 3,9 %.

Температура обратной линии рассола падает с 10,24 в первый до 8,07 °C в последний день проведения эксперимента. Решающим фактором является почти постоянная температура грунта: 15,87 в первый и 15,36 °C в последний день проведения эксперимента. Так как участок, на котором проводилось испытание, был защищен от внешнего воздействия окружающей среды очень плотной палаткой, то влияние дополнительного увлажнения становится очевидным и проявляется в почти постоянной температуре грунта.

Разность между температурой грунта и температурой рассола, возвращающегося из плоского коллектора возросла с 5,63 в первый до 7,30 K в последний день проведения эксперимента. Так как температура грунта во время проведения испытания остается почти постоянной, можно сделать предположение, что после наполнения плоского коллектора уплотнение грунта было неудовлетворительным, в результате чего был слабый теплоперенос между грунтом и трубой коллектора. Повторение эксперимента не потребовалось, поскольку при дальнейших испытаниях были получены похожие или лучшие результаты, однако, при этом разность температуры между температурой грунта и возвращающего рассола становилась меньше примерно на 1 К.

Для того чтобы повысить теплопроводность грунта, грунт над коллектором нужно уплотнять.

При рассмотрении результатов эксперимента речь не идет о контурах, которым не свойственны потери, наоборот, для работы насоса и вентиля требуется вспомогательная энергия. Реальный коэффициент потерь ЭR составляет 50 % от коэффициента преобразования Карно Э.

В самом начале эксперимента, в первый день, значение выработки равнялось 1,43. С самого первого дня эксперимент проводился без дополнительного увлажнения грунта над установленным плоским коллектором.

При последнем измерении, в последний день эксперимента, было зафиксировано значение выработки 1,52. В течение недели, столько длилось испытание, содержание воды в грунте увеличилось с начального показателя 13,9 до 25 % к концу недели.

При увеличении содержания воды в грунте примерно на 11 %, значения выработки Я увеличилось на 6,3 %, то есть благодаря улучшению теплопроводности, в результате чего была получена дополнительная природная энергия, владелец установки потратил на отопление на 6,3 % меньше.

Благодаря увлажнению грунта тепловой насос работает стабильно по отношению к источникам теплоты, то есть высокая температура источника теплоты и грунта является основой для генерации большого количества тепловой энергии.

Также важно поддерживать высокую температуру рассола, чтобы не наносить вред окружающей среде. Охлаждение грунта примерно на глубине 1,2 м за счет коллектора, уложенного соответствующим образом, как правило, не оказывает отрицательного влияния на окружающую среду. Существует лишь вероятность, что рост некоторых растений замедлится на несколько недель. Зимой нужно также ограничить образование льда вокруг труб.

Коэффициент полезного действия описывает расход электроэнергии теплового насоса с идеальным коллектором Wel, ideal в соотношении к расходу электроэнергии тепловым насосом с реальным коллектором Wel, real, при этом оба устройства отдают одинаковое количество теплоты Qc при одинаковой температуре в конденсаторе Tc:

vkoll = Wel, ideal / Wel, real .

При этом идеальный коллектор характеризуется:

подачей необходимой теплоты испарения на тепловой насос при температуре ненарушенного грунта Tung на уровне коллектора;

устранением проблем падения давления при использовании циркуляционных насосов, причем без дополнительного расхода электроэнергии РUP.

Потребляемая компрессором электрическая мощность почти не зависит от температуры испарения и, соответственно, от температуры рассола. При низком давлении испарения и в результате этого низкой плотности за один цикл конденсации конденсируется меньше хладагента. При этом наряду с увеличивающимся соотношением давления и в результате этого увеличивающимся вращением уменьшается число оборотов электродвигателя. И то, и другое ведет к тому, что поток хладагента уменьшается, и теплопроизводительность QH падает, но при этом потребление мощности электродвигателем остается почти постоянным.

Для того чтобы передать то же количество теплоты в конденсатор, тепловой насос с реальным источником теплоты, в котором температура рассола ниже, должен дольше работать, чем тепловой насос с идеальным источником теплоты. Реальный период эксплуатации treal больше, чем идеальный период эксплуатации tideal. . Как для компрессора, так и для циркуляционных насосов теплового коллектора не рассматривается более длительный период. Поэтому для определения коэффициента полезного действия коллектора:

vkoll = Pverd tideal /(( Pverd + PUP) treal);

tideal QH, ideal = treal QH, real ;

tideal / treal = QH,real / QH,ideal = еreal Pverd /( еideal Pverd)= еreal / еideal ; Pverd = QH,ideal / еideal ;

а также

еreal = Tc Vreal /( Tc - TS,real);

тогда:

vkoll = (QH,ideal (TC - TUNG) / (QH,ideal (TC - TUNG) + PUP TC videal)) vreal (TC - TUNG) / (vreal (TC - TS,real).

Изменение коэффициента полезного действия реального теплового насоса в зависимости от температуры рассола можно определить с помощью указанной производителем характеристики мощности е (TS). Характерную температуру рассола TSreal, который возвращается в тепловой насос, производители обозначают по-разному TS,RL, real, к чему также имеет отношение указанный коэффициент преобразования. При этом необходимо обратить внимание на то, что нужно скорректировать температуру возвращающегося рассола в зависимости от изменения температуры в контуре рассола и отклонения от указанного растягивания (в большинстве случаев dT = 3 K). Благодаря последнему уравнению и характерной системной температуре (Tc, Tung и Tsreal), изменению коэффициента полезного действия теплового насоса, идеальной или требуемой теплопроизводительности QH и дополнительной электрической мощности для циркуляционных насосов PUP можно оценить энергетическую эффективность теплового насоса.

Из этого следует, что, если реальная средняя температура рассола TSreal высокая, то будет высоким и коэффициент полезного действия. Увлажнение плоского коллектора дает в результате хороший переход теплоты между грунтом и трубой.

Экономическое сравнение с другими системами отопления очень важно. Основой для сравнения рентабельности является Директива 2067 Союза немецких инженеров. Расчет проводился с помощью Excel Microsoft „Amortisation V4_4“

Из рис. 7 видно, что на эксплуатацию и обслуживание теплового насоса типа «рассол-вода» в лучшем случае требуется 735 евро/г., а на тепловой насос типа «воздух-вода» - 888 евро/г. При расчете данных затрат во внимание был принят плоский коллектор без системы увлажнения.

Если за основу принять результаты при увлажнении в 25 % результат содержания воды в грунте (доля поровой воды) будет увеличиваться примерно на 6,3 %/г. И в таком случае затраты на эксплуатацию и обслуживания установки еще уменьшатся на 6,3 %/г., так как увеличивается доля использования бесплатной природной энергии.



Рис. 7. Затраты на отопительную систему за первый год эксплуатации

При использовании коллектора с системой увлажнения затраты на эксплуатацию и обслуживание теплового насоса типа «рассол-вода» с 735 снижаются до 688 евро/г. Затраты на материал и установку составляют примерно 200 евро, которые в данном случае можно окупить примерно за 4 года. С помощью увлажнения грунта можно увеличить мощность изъятия теплоты примерно с 10 до 30 Вт/м2 .

С точки зрения ненанесения вреда окружающей среде тепловой насос типа «рассол-вода» также обладает преимуществом (рис. 8). Так как благодаря системе увлажнения снижается не только расход первичной энергии, но объем выбросов СО2. Это можно объяснить использованием большой доли природной энергии и уменьшением времени работы компрессора.

На рис. 9 представлены показатели выпадения осадков с 1948 по 1998 гг. Очевидно, что за средние 30 лет этот показатель был равен 585 мм. В таком случае возникает вопрос, изменился ли характер осадков и происходит ли это из-за изменения тенденций при отводе, накоплении и увлажнении дождевой воды? Это очень важный вопрос, который был исследован для понимания эффективности использования систем увлажнения коллекторов использованием данных метеостанции Лейпциг-Шкойдитц.

Рис. 8. Сравнение различных отопительных систем по параметру ненанесения вреда

При использовании дождевой воды были сделаны следующие важные заключения:

чтобы добиться максимальной водопроводимости грунта, нужно в короткое время сделать грунт насыщенным;

чем выше содержание воды в грунте, тем лучше вода просачивается в грунт;

при таком состоянии грунта зачастую естественного увлажнения с помощью дождя недостаточно (если грунт слишком сухой);

для составления плана нужны точные геологические данные конкретного района;

в зависимости от структуры грунта в данном районе при использовании системы увлажнения может потребоваться установка цистерн для дождевой воды или устройства канавок.

Основные выводы. В связи с существенно повысившимися ценами на традиционные энергоносители и понимании необходимости заботы об окружающей среде, тепловые насосы становятся все популярнее.

Рентабельность и мощность установок с тепловыми насосами основывается на правильном проектировании и монтаже 3 отдельных компонентов: теплового насоса, источника и потребителя теплоты. Результатом ошибок при их проектировании и монтаже работа всей системы теплового насоса будет неэффективным, и тепловой насос не сможет это компенсировать.

Рис. 9. Количество выпавших осадков, мм, в г. Лейпциг

Благодаря таким насосам и горизонтальным коллекторам теплоту можно изымать даже из поверхностного слоя на глубине от 1,20 до 1,40 м.

Доказано, что показатель годовой выработки для установок с тепловым насосом и грунтовым коллектором можно повысить примерно на 7 %/г., используя ее вместе с запатентованной системой увлажнения.

Доказано, что расходы на эксплуатацию и обслуживание теплового насоса типа «рассол-вода» минимальны. А при использовании плоского коллектора в сочетании с системой увлажнения эти расходы можно снизить еще примерно на 6,3 %.

По сравнению с тепловым насосом типа «рассол-вода» плоский коллектор в сочетании с системой увлажнения наносит меньше вреда окружающей среде. Снижается не только объем использованной первичной энергии, но и объемы выбросов CO2.

Доказано, что ежегодный объем осадков, который попадает в землю, и объем осадков, которые можно собирать с крыши, превышает объем, достаточный для соответствующего увлажнения.

Доказано, что при увлажнении нужно придерживаться определенного алгоритма увлажнения, то есть расходовать воду согласно определенной схеме.

Тепловые насосы, работающие от теплоты грунта, можно использовать не только для отопления, но также и для охлаждения помещения.

Увлажнение дождевой водой способствует повышению годовой выработки почти на 10 %. Следует также учитывать, что затраты на монтаж плоского коллектора с системой увлажнения значительно ниже затрат на скважины с геотермальными зондами.

Разработанная система при эксплуатации отличается вторичным эффектом, а именно: снижением налогов на отвод воды в канализацию в сравнении с использованием пресной и дождевой воды для системы увлажнения.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Махов Л.М., Поромпка С. Повышение энергоэффетивности тепловых насосов при испльзовании орошаемых подземных коллекторов. // Вестник МГСУ, 2011, № 3, т. 1. - с. 395-398.

2. Поромпка С., Махов Л.М. Дождевая вода как фактор повышения энергетической эффективности тепловых насосов. // Водоснабжение и санитарная техника, 2011, № 8. - с. 57-60.

3. Поромпка С. Использование тепловых насосов в Германии. // С.О.К., 2011, № 8. - с. 90-91.

4. Махов Л.М., Поромпка С. Устройство и работа орошаемых коллекторов для тепловых насосов. // Промышленное и гражданское строительство, 2011, № 9. - с. 11-13.*

5. Махов Л.М., Поромпка С. Исследование работы тепловых насосов с орошаемым коллектором. // Вестник МГСУ, 2011, № 6. - с. 341-346.*

6. Stappenbeck H., Porompka. S. Device for raising temperature of salt in heat source circuit of heat pumps directs salt stream through salt-air heat exchanger through which fresh or waste air of room is guided - document DE102004039569A1. Mьnchen: Deutsches Patent- und Markenamt, 17.03.2005. - 5 s.

7. Sobotta S., Porompka S. Planungsinformation Elektro Wдrmepumpe geoTHERM Kapitel 8 teilw., 9, 10 teilw.. Remscheid: Vaillant, 11/2005, 69 Seiten

8. Meyer R. Bauen nach dem HOT-DOG-PRINZIP - unser Abschied von Цl und Gas. Taunusstein 2. Auflage: Eberhard Blottner Verlag, 2007. - s. 142-147 (inhaltliche Zuarbeit).

9. Porompka S. Montageanleitung und Entwicklung Kompaktkollektor VWZ KK8/VWZ KK10. Remscheid: Vaillant, 04/2006/ - 16 s.

10. Porompka S. Verbesserung der Jahresarbeitszahl von Wдrmepumpenanlagen durch Kombination eines Regenwasserversickerungssystems fьr Flдchen-kollektoren, TGA Fachplaner 10/2011.

11. Porompka S. Steigert Versickerung die Jahresarbeitszahl. // TGA Fachplaner, 10.2011. - s. 64-67.

Размещено на Allbest.ru