Грунтові теплообмінники для геотермального теплового насосу

Одним із ключових елементів геотермального теплового насоса є ґрунтовий теплообмінник. Саме завдяки цьому елементу тепловий насос отримує низькопотенційне тепло ґрунту. Правильно спроектований та встановлений геотермальний теплообмінник запорука ефективної та надійної роботи ґрунтового теплового насоса.

Існує безліч конструкцій теплообмінників для отримання теплоти з ґрунту та ґрунтових вод. Усіх їх можна класифікувати за трьома основними типами:

• Горизонтальний геотермальний колектор.
• Вертикальний геотермальний зонд.
• Теплообмінники типу «кошик» та «спіраль».

Горизонтальний колектор геотермального теплового насосу

Монтаж горизонтального теплообмінника найпростіший і вимагає значних грошових витрат. Недоліком є велика площа, на якій не повинно бути згодом будівель і дерев.

Розкладка такого теплообмінника здійснюється на глибині нижче за рівень промерзання ґрунту, зазвичай від 1,5 до 3 м залежно від географічної місцевості та типу ґрунту.

Приклади прокладання горизонтального колектора

Верхні шари ґрунту накопичують сонячне тепло і, по суті, є акумуляторами сонячної енергії. Тому температура верхніх шарів ґрунту не рівномірна протягом року і має сезонні коливання, що впливає на ефективність теплового насоса в сезонному циклі експлуатації. Наприклад на глибині 2 м температура ґрунту коливається від 7 ° С до 13 ° С протягом року.

Температура грунту в залежності від глибини та пори року

Знімання тепла з кожного метра ґрунтового колектора залежить від таких факторів як: глибина укладання, тип та вологість ґрунту, затінення майданчика під теплообмінник тощо.

Теплознімання з метра квадратного верхніх шарів ґрунту відповідно до VDI 4640

Так само доведеться враховувати і час роботи теплового насоса за сезон, т.к. це впливає на здатність ґрунту відновлювати тепловий потенціал перед наступним сезоном. Для клімату України слід орієнтуватися на більшу кількість годин роботи через суворіший клімат ніж наприклад у Німеччині. У середньому значення теплознімання набувають 20 Вт/м. Однак для більш докладних розрахунків слід звернутися до фахівців за детальним геологічним аналізом ґрунту.

Типи укладання горизонтального геотермального колектора

Крок укладання труб не повинен бути меншим за 0,7 м для ефективної роботи колектора. Рекомендується використовувати контур загальною довжиною не більше 150 м через великий гідравлічний опір. При застосуванні кількох контурів необхідно намагатися, щоб кожен із них був приблизно однаковою довжини.

Приклад розрахунку горизонтального геотермального колектора

Наприклад розрахуємо площу, займану горизонтальним колектором. Допустимо, що для будинку необхідний тепловий насос потужністю 8 кВт.

Потужність контурів ґрунтового колектора теплового насоса, що знімається, обчислюється щодо потужності та СОР обраного теплового насоса за формулою:

Ре = Pн * (1 – 1/СОР), кВт

Де Рн – номінальна потужність теплового насоса, СОР – коефіцієнт перетворення. Розрахунок застосовують для одного з режимів згідно зі стандартом EN 14511 (зазвичай приймають точку В0/W35, де 0 °С – температура теплоносія на вході у випарник, 35 °С – температури подачі системи опалення). Як зразок візьмемо тепловий насос Nibe F1145-8 з параметрами при В0/W35: потужність – 8,3 кВт і СOР – 5,01.

Ре = 8,3 * (1 -1/5,01) = 6,64 кВт

Необхідна довжина горизонтального теплообмінника теплового насоса, що дорівнює відношенню необхідної потужності до потужності одного метра труби, що знімається:

L = Pe/q, м

Де q – приймаємо 20 Вт/м = 0,02 кВт/м (середнє значення для горизонтальних колекторів).

L = 6,64/0,02 = 332 м

Для нашого теплового насоса буде оптимально 3 ґрунтові контури по 111 м кожен. Щоб дізнатися яку площу займатиме такий колектор необхідно це число помножити на величину кроку укладання труб (беремо крок рівний 0,7 м) S = 333 * 0,7 = 233 м². Це відповідає майданчику розміром приблизно 13 х 18 м.

Кільцевий геотермальний колектор

Труби кільцевого колектора укладаються петлями у верхні шари ґрунту, наприклад, шириною 2 м і глибиною від 1,5 до 3 м. Це може бути як один контур, укладений в траншею, так і кілька підключених контурів паралельно. Завдяки своєму контструктиву кільцевий геотермальний колектор має велику гнучкість у проектуванні. Він дозволяє заощадити простір та зменшити площу земельних робіт.

Застосування кільцевого геотермального теплообмінника здатне зекономити від 40 до 50% площі земельних робіт, вивільнивши тим самим корисну площу ділянки.

Варіант застосування кільцевого геотермального колектора

Вертикальний геотермальний зонд

Температура ґрунту глибше 20 метрів стабільна протягом усього року і дорівнює 8-10 °С, вона підтримується завдяки геотермальній енергії надр Землі. Для отримання цієї енергії використовують вертикальні ґрунтові теплообмінники, які називаються «Зондами», які занурюють у свердловини глибиною 20-300 м і діаметром 120-200 мм. Зазвичай використовують пластикову трубу діаметром від 32 мм.

Конструкція геотермального вертикального зонда для теплового насосу

У свердловину поміщають одну або дві петлі зонда і простір між ґрунтом та трубою заповнюють бентонітом або іншим розчином з високою теплопровідністю.

Теплознімання з вертикального теплообмінника вище, ніж у горизонтального та приймається в середньому 50 Вт/м. Однак реальне значення може сильно відрізнятися, і залежить від вологості породи та наявності ґрунтових вод.

Теплознімання з метра погонного ґрунту згідно VDI 4640

Тепло недр землі хоч і є відновлюваним джерелом енергії, все ж таки теплова регенерація (відновлення) відбувається не так швидко, як ми витрачаємо теплоту ґрунту. Тому в більшості джерел дані теплознімання наведені з урахуванням 1800 годин роботи теплового насоса на рік. Відповідно до досліджень у перші 2-3 роки температура ґрунту навколо теплообмінників різко знижується, проте з кожним роком темп зниження температури знижується. Все це призводить до зниження ефективності теплового насосу.

У кліматі України тепловий насос зазвичай працює понад 1800 годин на рік. Тому існує ризик промерзання деяких ділянок ґрунту навколо свердловини. Це може призвести до просідання шарів ґрунту та руйнування труб теплообмінника або до більш небезпечних наслідків для мікроклімату ґрунту та будов поблизу свердловини. Тому рекомендую приймати значення з урахуванням роботи теплового насоса 2400 годин на сезон.

Для кращої регенерації ґрунту рекомендується у літній період подавати додаткове тепло в зонд, наприклад, від солнечних колекторів або використовувати тепловий насос для охолодження, тим самим підігріваючи ґрунт навколо зонда.

Розрахунок довжини вертикального ґрунтового теплообмінника проводиться аналогічно з горизонтальним колекторам. Для вибраного теплового насоса:

L = Pe/q = 6,64/0,05 = 132,8 м

Це може бути як одна 133 м свердловина, так і дві свердловини по 67 м. При використанні кількох зондів необхідно бурити свердловини максимально можливому віддаленні один від одного (не менше 6 м). Для більш ефективної роботи рекомендується бурити менше свердловин.

Інші ґрунтові теплообмінники геотермальних теплових насосів

Окремо були класифіковані теплообмінники типу «Кошик», «Спіраль» та кластерні зонди для теплового насоса.

Зонд конструкції “Кошик”

Спіральний зонд

Кластерний геотермальний зонд

Вони поєднують у собі властивості горизонтальних теплообмінників і спосіб установки, що нагадує вертикальні теплообмінники. Такі теплообмінники укладаються на глибину до 5 м. Існують також деякі інші модифікації ґрунтових теплообмінників геотермальних теплових насосів.