Грунтовые теплообменники для геотермального теплового насоса
Одним из ключевых элементов геотермального теплового насоса является грунтовый теплообменник. Именно благодаря этому элементу тепловой насос получает низкопотенциальное 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 строений 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 секономить 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 120-200 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 теплопроводимостью.
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.
Теплосъем с метра погонного грунта согласно VDI 4640
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 скважин.
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.
Сергей Маринец
Автор - инженер по возобновляемым источникам энергии
Спасибо за интересную статью.
А как по Вашему, методом гнб реально делать геотермальный контур?
Просто я недавно писал статью на эту тему, но хотелось бы услышать мнение специалиста.
Думаю, очень даже реально и в вашей статье это хорошо описано.
Доброго дня! А какой съём тепла могут дать спиральные теплообменники с метра скважины?
Один из производителей указывает что с одного спирального зонда длинной 3 метра можно снять до 500 Вт, это примерно 167 Вт с метра. Однако все конечно зависит от типа грунта.
Лучше брать из расчета 100 ватт с метра спирали на 25й трубе при шаге намотки до 200 мм. То есть при 3-метровой спирали снимем 300 Ватт. Это для влажного песка и суглинков. Но даже если грунт более влажный, все равно лучше рассчитывать как для суховатого грунта.
Для других типов грунта можно пересчитать по коэффициентами:
Теплоёмкостть: MДж/(m³*K)
Торф 4.0
Влажная глина 3.5
Сухой песок 1.4
Увлажненный песок, супесь 3.1 (упоминается выше)
Глина или ил, влажные 3.1
Теплосьем не может быть выше, чем отдаст грунт. Снимать больше можно, но это будет временно, а последствия — замороженный наружный контур!
Увидел картинку кластерного геополя для теплового насоса, а вот пояснений нет.
По какой причине компания Geoterm Ltd. разработала и внедрила эту технологию в Украине?
К нам часто обращались заказчики, которые приняли решение установить тепловой насос. Установка теплового насоса упиралась либо в отсутствие площади, либо работы по ланшафтному дизайну закончены и заказчик проживает в доме.
Кластерная технология геотермального поля для теплового насоса позволяет уйти от этих проблем. Ваше геотермальное поле занимает на территории участка всего 4 м2. Возможно это то, что Вам подойдет.
а вот если сравнивать, например, с такой системой отопления на двух котлах — с газом и электричеством и радиаторами:
какая примерно будет экономия и сколько надо будет времени, чтобы окупить установку теплового насоса?
Нельзя ли использовать вместо теплособирающих контуров тепловую трубку ?
Теоритически выгода очевидна. Ничего невыполнимого в том что бы сделать длинную ТП не вижу.Алюминеваю, мыгкая трубка диаметром 100-120 мм легко сворачивается в бухту и транспортировка её не составит труда. Засовываем ТП в свеже пробуренную скважину и заливаем её теплопроводимым бетоном или что там более подходит для этого.
Не надо тратится на насос и электричество.
Скажите своё слово разбирающиеся люди.
При вертикальных грунтовых теплообменниках (температура грунта постоянна) , учитывается ли в методиках расчета (или, точнее, можно учитывать) теплозащиты зданий. Например, учитывая толщину стен из кирпича или др.материалов, толщину и материалы утепления и т.д. (пассивная часть — назовем) к примеру 200квт.ч/м.кв.год, затем добавить на м.кв. тот эфект который получается от геотермики например получается 180 квт.ч/м.кв.год — можно считать его коэффицентом теплозащиты конкретного здания?
Это по сути и есть часть экономии энергоресурса. Тепловые потери здания считаются обычно отдельно с учётом всех материалов и теплоизоляции. А затем уже мы можем по этим данным подбирать различные энергосберегающие устройства, например: тепловой насос, вентиляцию с рекуперацией, пореднагрев вентиляционного воздуха в грунте, использование панельного отопления/охлаждения. Если все это применить, да еще и установить солнечную фотоэлектрическую станцию, то здание станет активным, и сможет даже больше энергии генерировать чем потреблять.
Таким образом вы сказали -да, можно указать, что при эффекте (постоянным) геотермики теплозащита станет 180кв.ч./м.кв.год, а в случае «активного» дома удельная теплозащита станет отрицательной!?
Это не так. Выработка энергии для компенсации теплопотерь и другая генарация энергии никак не относится к теплозащите здания и уж тем более она не может быть отрицательной.
Підкажіть будь ласка-як правильно зрозуміти розрахунок кількості метрів труби — по розрахунку мені потрібно 280м труби сховати в землю, якщо є скважина 40м глубини то вважається закладено вже 80м труби,чи це тільки 40 м зонда ?мені потрібно 4 скважини,чи 7?
І ще питання в 1 одну сважину доцільно вкладати 2 зонда?чи краще один..?
Якщо ви проводили розрахунки згідно формули у статті, то це саме глибина скважин. Це відповідає значенню довжини зонда. В вашому випадку загальна довжина труби зонда буде 80 метрів для подвійного зонду довжиною 40 м. Якщо вкладати 4-х трубний зонд то потужність можливо збільшити приблизно на 25% (обо відповідно зменшити загальну глибину буріння). Але це досить ризиковано оскільки такий зонд швидше охолоджує грунт навколо і при помилці в розрахунках більший ризик заморозити скважину.
краще в морози використовувати тепло підземної води. Але дві скважини мають бути на відстані більш як 20 метрів одна від одної одного водоносного шару. Але не всі місцевості мають близько розташовані грунтові води. маємо готову установку яка вже два роки відпрацювала. Середній СОР склав 3,2 на R22 фреоні.
Едуарде, дайте, будь ласка, посилання на (первинне чи хоча б вторинне) джерело цієї рекомендації щодо відстані між скважинами. На Форумхаузі згадував хтось, що «виробники рекомендують»від 15 метрів (https://www.forumhouse.ru/posts/1145610/); один писав про 10-12 метрів (https://www.forumhouse.ru/posts/1452688/)… Звісно, це дуже залежить від гідрогеології, а її ніхто для кожного конкретного випадку не знає. тим не менш, якщо можна, було б добре таке джерело почитати.
Будь ласка, вкажіть джерело інформації щодо вимоги до взаємного розташування скважин (а саме, що відстань між ними має бути не менше ніж 20 метрів).
Доброго часу доби!
Якщо є можливість зробити геополе більшого розміру, ніж треба, то наскільки доцільно заливати в контур розчин пропіленгліколю? Можливо, система могла б працювати просто на воді? Адже ПГ не тільки дорогий, а і значно збільшує в’язкість розчину і зменшує теплоємність (тобто збільшується потрібна витрата, типорозмір і вартість цирк. насосу, експлуатаційні витрати електроенергії на циркуляцію). А також, напевно, погіршує теплопровідні та гідравлічні властивості геоконтура (наприклад,див. https://www.forumhouse.ru/posts/22495752/).
І ще питання: якщо справді необхідний антифриз, то чим обумовлено вибір саме ПГ? Адже існують набагато дешевші додатки, наприклад розчин етанолу (технічний етанол, який приводять із Польщі контрабандою та бодяжать алікам, або ще дешевше, самогон).
(До речі, додавання етанолу теж стрімко збільшує в’язкість і зменшує теплоємність розчину, якщо порівнювати з водою.)
Добрий день!
Звісно, використання антифризу обумовлено можливістю замерзання контуру. Нажаль такої можливості ніяк не уникнути. Якщо залити воду, ризики занадто великі, і «переплата» за незамерзаючу рідину можливо врятує систему від розриву, адже відновлювалні роботи будуть складними і дорого обійдуться при пошкодженні контуру.
Існують і інші види теплоносія. Ми писали в цій статті: http://solarsoul.net/teplonositel-dlya-teplovogo-nasosa-gruntvoda
Розчин поліпропілена вибраний більшістю виробників, чрез те що він має відносно непогані властивості теплопроводності і в’язкості і при цьому не токсичний і не пожежонебеспечний.
В будь якому випадку, це компромісне рішення, для захисту грунтового контуру. Звісно вада була б кращим теплоносієм але ризик заморозки контуру занадто великий.