Varmepumpe for oppvarming av boliger. Prinsipp for drift og beregning

Oppvarming og isolasjon

En bergvarmepumpe for boligoppvarming gir en betydelig lavere oppvarmingskostnad i vårt klima enn et vannsystem. En riktig utformet og produsert jordvarmeveksler har en betydelig innvirkning på dens effektive drift.

Innholdsfortegnelse

• Hvem er geotermiske varmepumper designet for?
• Bergvarmepumper – trenger jeg byggetillatelse eller varsel?
• Geotermiske varmepumper i vårt klima.
• Hvordan fungerer en bergvarmepumpe? Prinsipp for operasjon.

• Bergvarmepumpe med horisontal varmeveksler.

• Jordvarmevekslerprosjekt.
• Beregning av varmeveksleroverflaten til en horisontal bergvarmepumpe.

Hvem er geotermiske varmepumper designet for?

Når varmesystemet fortsatt er i designstadiet, er det ikke noe problem å stille inn parameterne for hver varmepumpe.

Som regel er det ingen hindringer for implementeringen av varmeveksleren som er nødvendig for å få varme fra bakken.

Det er nødvendig å vite at varmen i bakken på en dybde på 1,5 m tilføres nesten utelukkende fra atmosfærisk nedbør og solenergi. Så overflaten over varmeveksleren, hvis mulig, bør være fri og bør tillate vann å passere gjennom. Det er ikke tillatt å plante planter på den, hvis røtter kan skade røret i fremtiden.

Du må også ta hensyn til det faktum at virkningen av varmepumpen fører til en nedgang i jordtemperaturen med flere grader, noe som forstyrrer vegetasjonen til planter. I denne forbindelse er installasjonen av en bergvarmepumpe i et godt vedlikeholdt landsted ofte for tungvint.

Bergvarmepumper – trenger jeg byggetillatelse eller varsel?

Blant byggearbeidene som er oppført i gjeldende lovgivning, hvis gjennomføring ikke krever byggetillatelse eller melding, er installasjon av varmepumpe. Men dette gjelder ikke varmeveksleren. Men siden individuelle avløpsrenseanlegg som krever lignende jordarbeid er unntatt fra plikten til å innhente tillatelse, i praksis, når det bygges en horisontal varmeveksler i grunnen, kan det heller ikke kreves tillatelse for byggingen (det er bedre å presisere dette i distriktets byadministrasjoner). Ellers er det nok å informere om intensjonen om å bygge og vente 30 dager på godkjenning.

Grunnarbeid knyttet til installasjon av et slikt anlegg kan være underlagt de begrensninger som følger av vannloven, dersom arbeidet utføres i vanninntakets beskyttelsessone.

Og konstruksjonen av en vertikal varmeveksler utføres i samsvar med bestemmelsene i lovene om geologisk og gruvelov. I dette tilfellet er det nødvendig med utvikling av et prosjekt for geologisk arbeid, som må sendes til de kompetente myndighetene i administrasjonen senest åtte uker før den forventede datoen for oppstart av arbeidet.

Hvis du skal utføre borearbeid, må du sende inn en pakke med dokumenter med søknad til vedkommende myndigheter i Statsforvaltningen, senest to uker før forventet startdato. Boring kan kun utføres av personer med passende kvalifikasjoner, i samsvar med utstedt jordarbeidsgaranti.

Geotermiske varmepumper i vårt klima.

Bakketemperaturen er mer stabil enn luft, så en bergvarmepumpe trenger ikke å operere over et bredt spekter av fordampertemperaturer og komponentene kan derfor være billigere enn en luftpumpe med gode parametere. På et eller annet dyp under jordoverflaten, kalt frysedybden, er temperaturen alltid over 0 grader Celsius.

Dybden av jordfrysing i Russland er standardisert av SNiP 2.01.01-82, der denne dybden varierer fra 0,8 m til 2,4 m. Beregningsmetoden brukes også. På lokalt nivå kan bakketemperaturen avvike fra disse verdiene (bakken kan bli avkjølt, for eksempel fra sterk vind). Men på en dybde større enn 1,5 m har jorda alltid en positiv temperatur. Jo dypere, jo mer stabil er jordens temperatur – den avkjøles ikke av kald luft, men den varmes også opp mindre som følge av eksponering for sollys.

Hvordan fungerer en bergvarmepumpe? Prinsipp for operasjon.

For å få varme fra bakken trengs en jordvarmeveksler. For å gjøre dette plasseres et rør ganske enkelt i bakken, og danner en løkke der en væske sirkulerer – i menneskene kalles det saltlake. Sløyfen (i praksis er det flere) går gjennom fordamperen til varmepumpen, hvor kuldebærertemperaturen synker og blir lavere enn bakketemperaturen. Passerer videre langs røret i bakken, varmes saltlaken gradvis opp. På slutten går den igjen inn i fordamperen, hvor den avgir varme.

Dermed er saltlaken et mellomledd i utvekslingen av temperaturforskjellen mellom jorda og pumpefordamperen.

Varmeveksleren kan være horisontal eller vertikal. Størrelsen på tomten hjelper til med å velge en løsning – flere hundre kvadratmeter kreves for fremstilling av en horisontal varmeveksler, og flere tiere er nok for vertikale sonder.

Det er viktig at volumet på varmeveksleren er stort – for hele fyringssesongen mottar pumpen flere megawatt-timer varme fra bakken. Hvis den er for liten, blir den utsatt for overdreven kjøling, og som et resultat kan ikke pumpen fungere som den skal. Styresystemet til en bergvarmepumpe slår det vanligvis av når kuldebærertemperaturen synker til -7°C, fordi under denne verdien blir prosessene i kretsen unødig forstyrret.

Bergvarmepumpe med horisontal varmeveksler.

Når det gjelder en varmeveksler laget av rør anordnet horisontalt, er den optimale dybden 0,2 – 0,5 m under fryselinjen. Men hvis det er et vassdrag på relativt grunt dyp, så er den beste løsningen å legge rør i det. Varmepumpen oppnår da en høyere ytelsesfaktor Kp .

Rørene til en horisontal varmeveksler legges i en forhåndsforberedt grop med dimensjoner som tilsvarer den nødvendige overflaten til varmeveksleren. De ledes i form av en spole (bøyninger) over hele overflaten av gropen, med visse intervaller mellom tilstøtende seksjoner. Intervallene bør ikke være mindre enn 0,4 m og ikke mer enn 1,2 m, tatt i betraktning hvilken type jord som dens evne til å "regenerere" (varmetilsetning) følger fra. Jo lenger bakkeoverflaten er frossen, desto lengre bør intervallet være.

Det må huskes at den termiske kraften til varmeveksleren ikke følger av lengden på røret, bare fra overflaten av jorda som den er lagt på. Små hull lar deg ikke få mer varme fra det, på grunn av behovet for å bruke et langt rør. Dette gir høyere investeringskostnader samt driftskostnader, fordi for å pumpe saltlaken gjennom et langt rør, trengs det en sirkulasjonspumpe med mer kraft. På grunn av dette for store gapet mellom rørene tilføres ikke varmen i beregnet mengde, slik at varmevekslerkapasiteten reduseres.

Jordvarmevekslerprosjekt.

Å designe en jordvarmeveksler av passende størrelse er nøkkelen til riktig drift av en varmepumpe. For å beregne nødvendig verdi kreves informasjon om nødvendig effekt til varmepumpen. Hvis det ikke er i de tekniske egenskapene til enheten, er det nok å vite at det tilsvarer den termiske effekten redusert med kompressoreffekten. Hvis vi ikke vet hvilken effekt kompressoren har, men vi har informasjon om ytelsesfaktoren Kp , så beregner vi kjøleeffekten med tilstrekkelig nøyaktighet ved hjelp av formelen:

Qcool = (Kp – 1)/Kp • Qheat.

Det er nødvendig å være oppmerksom på at de erstattede verdiene nås ved en temperatur som tilsvarer den som råder både i bakken og i varmesystemet under drift av pumpen ved full effekt (for eksempel 0/35 – brinetemperatur 0 grader Celsius, varmesystem 35 grader Celsius).

Beregning av varmeveksleroverflaten til en horisontal bergvarmepumpe.

Kraften som en jordvarmeveksler overfører varme med, avhenger av jordtypen, nemlig dens fuktighetsinnhold. Avhengig av dette, for å beregne overflaten til en horisontal varmeveksler, tas følgende verdier for den termiske kraften til jorden qg (for polyetylenrør):

• sandtørr – 10 W/m2
• sand, våt – 15-20 W / m2
• leirholdig tørr – 20-25 W/m2
• leireholdig, våt – 25-30 W/m2
• våt (vannførende) – 35-40 W / m2.

Dette er selvsagt veiledende verdier.

Det er vanskelig å vurdere om jordsmonnet er likt i hele området beregnet for varmeveksleren til den bygges, så det er bedre å ta en lavere verdi for beregning. I et riktig utformet system går varmepumpekompressoren mellom 1800 og 2400 timer per år, produksjon av grunnvarme gir lengre arbeidstid.

Overflaten til varmeveksleren beregnes med formelen:

A \u003d Q / qg

Eksempel: husets behov for energi til oppvarming er 14 kW, og pumpen vil tilfredsstille dem fullt ut (må fungere i et monovalent system). Den valgte enheten mottar en termisk effekt (oppvarming) på 14 kW for parametere 0/35, samtidig som den oppnår en effektivitetsfaktor Kp = 4,5. Kjøleeffekten er derfor Qcool = (4,5-1) / 4,5 • 14 = 10,9 kW, dvs. 10900 W. Varmeveksleren må lages i tørr leirjord, derfor må arealet være A = 10 900/20 = 545 m2. Det gjøres oppmerksom på det faktum at i tilfelle av en akvifer, kan varmeveksleren være halvparten så stor, men hvis jorda er sand, vil arealet ta mer enn 1000 m2. I en slik situasjon er den beste løsningen å plassere rørene vertikalt.

Varmeveksler til en vertikal bergvarmepumpe.

Varmepumpen oppnår høyere ytelsesfaktor Kp når varmevekslerrørene plasseres vertikalt i bakken – på 40-150 m. dybder ti mer enn på 1,5 meters dyp.

Utførelsen av en vertikal varmeveksler er imidlertid klart dyrere enn en horisontal. Dette er vertikale deler av et rør som danner en løkke (røret går ned gjennom hullene, nederst snur det rundt og går opp). De kalles geotermiske sonder. I dette tilfellet beregnes de ikke etter areal, men av den totale lengden på varmeveksleren, vanligvis bestående av mer enn en sonde.

I vertikale brønner plasseres ett eller to par rør (sonde type U eller Y). Innføringen av borehullsrøret forenkles av hodet, som er et element som forbinder de vertikale rørene, som kan tilpasses til å bruke et ekstra rør for fylling. Hodet skyves inn i hullene, og med det varmevekslerrørene. Deretter helles flytende betong i brønnen.

I en Y-type varmeveksler strømmer væske ned til hodet i det ene røret og returnerer fra hodet i det andre. I en dobbel U-type varmeveksler renner to rør ned og to rør opp.

Avstanden mellom borepunkter opp til 50 m dyp bør ikke være mindre enn 5 m, og ved dypere fra 8 til 15 meter. Bør plasseres på en linje vinkelrett på vannføringsretningen.

Beregning av lengden på varmeveksleren til en vertikal bergvarmepumpe.

I dette tilfellet er det viktig hvordan jordens egenskaper endres med dybden. Informasjon kan gis av geologiske kart og dokumentasjon av brønner tidligere gjort i nærheten. På denne bakgrunn er det mulig å estimere tykkelsen på de enkelte jordlagene og beregne gjennomsnittsverdien av varmeledningsevnen for området hvor varmevekslerrørene skal plasseres.

Beregninger er imidlertid ikke i stand til å ta hensyn til alle bevegelser av grunnvann, og i praksis hender det ofte at resultatet avviker vesentlig fra virkeligheten. For å være sikker på at den vertikale varmeveksleren skal fungere som den skal, er det nødvendig å foreta en undersøkelse av jorda på stedet der boringen skal utføres. I dette tilfellet avhenger varmeeffekten til jord qg også av typen.

For PE80 rør er:

• tørr sandjord – 10-12 W / m;
• sand våt – 12-16 W / m;
• middels leireholdig tørr – 16-18 W / m;
• middels leireaktig våt – 19-21 W/m;
• tung leire tørr – 18-19 W/m;
• tung leireaktig våt – 20-22 W/m;
• våt (vannførende) – 25-30 W / m.

Det er nødvendig å ta hensyn til tykkelsen på de individuelle lagene av en viss type jord og på dette grunnlaget beregne den totale ytelsen til hver sonde.

Varmeproduktiviteten til jorda, der begge lag er tørre, samt akviferer, ved bruk av sonder av dobbel U-type (fire rør i et borehull), er i gjennomsnitt ca. 50 W/m. Tentativt kan det antas at for søkernes varmepumpe i eksemplet med beregning av en horisontal varmeveksler (kjølekapasitet på 10,9 kW), kreves det hull med en total lengde L = 10 900/50 = 218 m. , det vil si for eksempel fire 55 meter hver.

Jordvarmepumpe: jo lavere effekt, jo billigere er installasjonen.

Investeringskostnaden er direkte proporsjonal med varmeeffekten til installasjonen. Derfor, selv om ytelsesfaktoren til en grunnvannspumpe ikke reduseres med utbruddet av alvorlig frost, er det verdt å vurdere bruken av en varmepumpe i et bivalent system.

Den enkleste måten er å utstyre den med en elektrisk gjennomstrømningsvannvarmer (som regel tilbys den som tilleggsutstyr – for installasjon i varmepumpehuset). Det bivalente punktet bestemmes deretter og den nødvendige varmeeffekten til pumpen bestemmes for det.

Hvis pumpen kan varme opp et hus som ligger i klimasonen III, og det antas at en elektrisk varmeovn kan føre den til under yttertemperaturen på -10 grader Celsius, kan varmeeffekten være 25 % mindre enn den beregnede varmebelastningen. Kostnaden for å produsere en jordvarmeveksler vil være like mye mindre.

I dette eksemplet, i stedet for en effekt på 10,9 kW, er 8,2 kW tilstrekkelig. Og i denne forbindelse kan arealet til den horisontale varmeveksleren ha 410 m2 i stedet for 545 m2 og dybden på den vertikale 164 m i stedet for 218 meter. I tillegg til lavere pris er fordelen derfor også mindre plassbehov.

Hvilke rør brukes til jordvarmeveksler med jordvarmepumpe?

Lengden på en sløyfe (krets) er begrenset – dette er på grunn av kapasiteten til sirkulasjonspumpen, som geotermiske varmepumper vanligvis er utstyrt med fra fabrikken (hvis ikke, så velges lengden på rørene og den tilsvarende sirkulasjonspumpen av systemdesigneren). Den tillatte rørlengden skal beregnes fra enhetens tekniske spesifikasjoner. Det avhenger av diameteren og typen arbeidsvæske (saltlake) som brukes.

Ved varmepumper med motoreffekt opp til titalls kilowatt brukes fra en til fire sløyfer på 100-400 m hver fra rør med diameter DN25 til DN65 (avhengig av rørmaterialet). For å lage horisontale varmevekslere brukes oftest PE100 polyetylenrør (hvis det ikke er steiner i jorda) eller PE100 RC for steinete bergarter. For vertikale rør kan PE80 brukes. Vertikale jordvarmevekslere er også laget av PE-X, polybutylen (PB) og kobberrør i en plastkappe.

Rørene til jordvarmeveksleren skal fylles med en væske som ikke fryser ved en negativ temperatur, for bestemthet antas det at opptil -15 grader Celsius, selv om varmepumpen har en beskyttelse for å slå den av ved -7 grader (i dette tilfellet slutter den å avkjøle bakken).

Siden den atmosfæriske luften er enda kaldere, kan varmevekslerrøret ikke utsettes for det på noe sted – det må begraves i bakken minst 0,5 m. Nær passasje av rør gjennom bygningsveggen er deres varmeisolasjon nødvendig ved en avstand på 2 m fra fundamentet, slik at det oppsto jordfrysing, noe som kan føre til en konstruksjonsulykke.

Arbeidsvæske i en bergvarmepumpeinstallasjon.

Tidligere, i systemer som leder varme fra bakken, ble det brukt NaCl -saltløsning , derav begrepet saltpumper oppsto i dag. «Solyanka» har ikke vært brukt på lenge. Den mest populære er en vandig løsning av propylenglykol, som anses som miljøvennlig. Som regel er det han som anbefales for fylling – han kan kjøpes som en ferdig arbeidsvæske for slik bruk. Når du velger det, er det nødvendig å bli veiledet av anbefalingene fra varmepumpeprodusenten, siden væsken kan inneholde forskjellige tilsetningsstoffer av hemmere, stabilisatorer, antioksidanter.

Propylenglykol har ikke bare et ganske lavt flytepunkt, men korroderer heller ikke metaller, løser ikke opp plast og forårsaker ikke utvasking av pumper. Imidlertid er dens tetthet og viskositet, som positivt påvirker mengden energi som kreves for pumping, større enn vann, så den brukes i en ikke veldig høy konsentrasjon (34%). Det er selvfølgelig mange væsker som ikke fryser ved -15 grader celsius. Etylenglykolløsning brukes også ofte, men anses som miljøskadelig fordi den er giftig og ikke biologisk nedbrytbar.

Etanol har også gode egenskaper. Dens største fordel er dens lave viskositet og tetthet, noe som betyr at den absorberer mindre energi ved pumping. Bruken er ikke populær på grunn av dens brennbarhet, intense lukt og fremfor alt mangel på smøreevne, som truer med å skade sirkulasjonspumpen. Derfor forbyr noen produsenter bruken.

Varmepumpe: enhet og driftsprinsipp. Video leksjon.