Грунтовые теплообменники для геотермального теплового насоса

Грунтовые теплообменники для геотермального
теплового насоса
Одним из ключевых элементов геотермального теплового насоса является грунтовый теплообменник.
Именно благодаря этому элементу тепловой насос получает низко потенциальное тепло грунта. Правильно
спроектированный и установленный геотермальный теплообменник залог эффективной и надежной
работы грунтового теплового насоса.
Существует множество конструкций теплообменников для получения теплоты из грунта и грунтовых вод.
Всех их можно классифицировать по трем основным типам:

Горизонтальные теплообменники — коллекторы.

Вертикальные теплообменники — зонды.

И теплообменники типа «корзина» и «спираль».
Горизонтальный коллектор геотермального теплового насоса
Монтаж горизонтального теплообменника самый простой и не требует значительных денежных затрат.
Недостатком является большая занимаемая площадь, на которой не должно быть впоследствии строе ний и
деревьев.
Раскладка такого теплообменника осуществляется на глубине ниже уровня промерзания грунта, обычно от
1,5 до 3 м в зависимости от географической местности и типа грунта.
Примеры прокладки горизонтального коллектора
Верхние слои почвы накапливают солнечное тепло и, по сути, являются аккумуляторами солнечной
энергии. Поэтому температура верхних слоев грунта не равномерна в течение года и имеет сезонные
колебания, что в свою очередь влияет на эффективность теплового насоса в сезонном цикле эксплуатации.
К примеру на глубине 2 м температура почвы колеблется от 7 °С до 13 °С в течении года.
Температура грунта в зависимости от глубины и времени года
Съем тепла с каждого метра грунтового коллектора зависит от таких факторов как: глубина укладки, тип и
влажность грунта, затенение площадки под теплообменник и т.д.
Теплосъем с метра квадратного верхних
слоёв грунта соглассно VDI 4640
Так же сдедует учитывать и время работы
теплового насоса за сезон, т.к. это вляет
на способность грунта восстанавливать тепловой потенциал перед следующим сезоном. Для климата
Украины следует ориентироваться на большее число часов работы из-за более сурового климата чем к
примеру в Германии. В среднем значение теплосъёма принимают 20 Вт/м. Однако для более подробных
расчетов следует обратиться к специалистам за детальным геологическим анализом почвы.
Типы укладки горизонтального геотермального коллектора
Шаг укладки труб не должен быть меньше 0,7 м для эффективной работы коллектора. Рекомендуется
использовать контур общей длинной не более 150 м из-за большого гидравлического сопротивления. При
применении нескольких контуров необходимо стараться, что бы каждый из них был примерно
одинаковой длинны.
Пример расчета горизонтального геотермального коллектора
Для примера рассчитаем площадь, занимаемую горизонтальным коллектором. Допустим, что для дома
необходим тепловой насос мощностью 8 кВт.
Снимаемая мощность контуров грунтового коллектора теплового насоса вычисляется относительно
мощности и СОР выбранного теплового насоса по формуле:
Ре = Pн * (1 – 1/СОР), кВт
Где Рн – номинальная мощность теплового насоса, СОР – коэффициент преобразования. Расчет
применяют для одного из режимов согласно стандарту EN 14511 (обычно принимают точку В0/W35, где 0
°С – температура теплоносителя на входе в испаритель, 35 °С – температуры подачи в систему отопления).
В качестве образца возьмем тепловой насос Nibe F1145-8 с параметрами при В0/W35: мощность – 8,3 кВт
и СОР — 5,01.
Ре = 8,3 * (1 -1/5,01) = 6,64 кВт
Необходимая длинна горизонтального теплообменника теплового насоса, равна отношению необходимой
мощности к снимаемой мощности одного метра трубы:
L = Pe/q, м
Где q — принимаем 20 Вт/м = 0,02 кВт/м (среднее значение для горизонтальных коллекторов).
L = 6,64/0,02 = 332 м
Для нашего теплового насоса будет оптимально 3 грунтовых контура по 111 м каждый. Что бы узнать
какую площадь будет занимать такой коллектор необходимо это число умножить на величину шага
укладки труб (принимаем шаг равный 0,7 м) S = 333 * 0,7 = 233 м². Это соответствует площадке размером
примерно 13 х 18 м.
Кольцевой геотермальный коллектор
Трубы кольцевого коллектора укладываются петлями в верхние слои грунта, например, шириной 2 м и
глубиной от 1,5 до 3 м. Это может быть, как одна петля, уложенная в траншею, так и несколько контуров
подключенных параллельно. Благодаря своему контструктиву кольцевой геотермальный коллектор имеет
большую гибкость в проектировании. Он позволяет сэкономить пространство и уменьшить площадь
земельных работ.
Применение кольцевого геотермального теплообменника способно с экономить от 40 до 50 % площади
земельных работ высвободив тем самым полезную площадь участка.
Вариант применения кольцевого геотермального коллектора
Вертикальный геотермальный зонд
Температура грунта глубже 20 метров стабильна на протяжении всего года и равна 8-10 °С, она
поддерживается благодаря геотермальной энергии недр Земли. Для получения этой энергии используют
вертикальные грунтовые теплообменники называемые «Зондами»,
которые погружают в скважины глубиной 20-300 м и диаметром 120200 мм. Обычно используют пластиковую трубу диаметром от 32 мм.
Конструкция геотермального вертикального зонда для теплового
насоса
В скважину помещают одну или две петли зонда и пространство
между грунтом и трубой заполняют бентонитом или другим раствором
с высокой тепло проводимостью.
Теплосъем с вертикального теплообменника выше, чем у горизонтального и принимается в среднем 50
Вт/м. Однако реальное значение может сильно отличатся, и зависит от влажности породы и наличия
грунтовых вод.
Тепло недр земли хоть и является возобновляемым источником энергии, все же тепловая регенерация
(восполнение) происходит не так быстро, как мы расходуем теплоту грунта. Поэтому в большинстве
источников данные по теплосъему приведены с учетом 1800 часов работы теплового насоса в год.
Согласно исследованиям в первые 2-3 года температура грунта вокруг теплообменников резко снижается,
однако с каждым годом темп понижения температуры снижается. Все это приводит к снижению
эффективности теплового насоса.
В климате Украины тепловой насос как правило работает больше 1800 часов в году. Поэтому существует
риск промерзания некоторых участков грунта вокруг скважины. Это может привести к проседанию слоев
грунта и разрушению труб теплообменника или к более опасным последствия для микроклимата грунта и
строений вблизи скважины. Поэтому рекомендую принимать значения с учётом работы теплового насоса
2400 часов в сезон.
Для лучшей регенерации почвы рекомендуется в летний период подавать дополнительное тепло в зонд,
например от солнечных коллекторов или использовать тепловой насос для охлаждения, тем самым
подогревая грунт вокруг зонда.
Расчет длинны вертикального грунтового теплообменника производится аналогично с горизонтальным
коллекторам. Для ранее выбранного теплового насоса:
L = Pe/q = 6,64/0,05 = 132,8 м
Это может быть как одна 133 м скважина, так и две скважины по 67 м. При использовании нескольких
зондов необходимо бурить скважины на максимально возможном отдалении друг от друга (не менее 6 м).
Для более эффективной работы рекомендуется бурить меньшее количество скваж ин.
Другие грунтовые теплообменники геотермальных
тепловых насосов
Отдельно были классифицированы теплообменники типа «Корзина», «Спираль»
и Кластерные зонды для теплового насоса.
Зонд конструкции «Корзина»
Спиральный зонд
Кластерный геотермальный зонд
Они объединяют в себе свойства горизонтальных теплообменников и способ
установки, напоминающий вертикальные теплообменники. Такие
теплообменники укладываются на глубину до 5 м. Существуют так же некоторые другие
модификации грунтовых теплообменников геотермальных тепловых насосов.