Как самостоятельно построить грунтовой теплообменник
Использование грунтового теплообменника все чаще встречается в частных домах в качестве принудительной вентиляции. Это выгодная альтернатива, которую можно сделать своими руками. Виды грунтовых теплообменников, их принцип работы, а также инструкция по изготовлению – все это изложено в статье.
Принцип работы
Давно известно, что почти на всей территории стран СНГ, температура в грунте на глубине 2 метров остается неизменной, а именно – около 10°C. Меняется она в зависимости от региона, но колебания обычно не превышают + — 2°C. Установка воздушных теплообменников подразумевает получение этой бесплатной энергии. За счет неизменной температуры конструкция прогревает помещения в холодное время года, а в жаркое – остужает. Грунтовая приточно-вытяжная вентиляция обеспечивает циркуляцию воздуха в помещении, также позволяет сохранить часть тепла, поступающего от обогревающего элемента. Обычно грунтовой теплообменникустанавливается вместе с рекуператором.
Рекуператор – это теплообменная система вентиляции. В ней холодный внешний воздух нагревается счет вытяжного теплого. В конструкции присутствует нагревающее устройство, вентиляторы, фильтры и трубопровод.
Эта схема позволяет получить уже подогретый свежий воздух из грунта, как результат – рекуператор затрачивает меньше энергии. Воздушная грунтовая система позволяет не только сохранить электроэнергию, но и сохранить конструкцию в рекуператоре в рабочем состоянии. В трубопроводе не будет замерзания конденсата, так как воздух подается всегда одной температуры. Подобная проблема обычно случается при использовании только рекуператора, когда в него идет морозный воздух.
Климат стран СНГ позволяет обеспечить теплообмен, величина охлаждения или подогрева в котором может колебаться от 5 до 20°C. Эффективность зависит от разницы между температурой грунта и внешним воздухом, чем она больше – тем сильнее теплообмен.
Весной и осенью температура воздуха в помещении чаще всего совпадает с температурой почвы. Поэтому теплообменник почти не влияет на микроклимат в доме. Но иногда грунтовая система может не только бездействовать, но и работать в отрицательном значении. К примеру, воздух в комнате имеет температуру около 12°C, а теплообменник охлаждает его до 8°C. В общем, использовать в межсезонье энергию грунта нет смысла. Изготавливая грунтовой теплообменник своими руками, нужно продумать способ отключения системы, чтобы свежий воздух шел с улицы, минуя теплообменник.
к содержанию ↑Виды грунтовых теплообменников
Сегодня известно два вида:
Бесканальный. Используется подземный слой, через который проходит воздух для теплообмена.
Трубный (канальный). Здесь теплообмен происходит при помощи набора труб (канала), закопанных под землей.
Независимо от типа, основной подводящий канал монтируется к трубам вентиляционной системы. Свежий воздух к ней подается чаще всего через отверстие в стене. Важным моментом будет установка механизма, с помощью которого можно будет переключаться между двумя положениями: первое – в систему поступает свежий воздух с улицы, второе – работает грунтовая система. Простыми словами – нужно сделать грунтовой теплообменник своими руками с закрывающимися отверстиями для подачи воздуха из грунта и с улицы.
к содержанию ↑Изготовление трубного теплообменника
грунтовой трубный теплообменник
Теплообмен воздуха в этой системе более эффективный, но требует затраты средств и времени. Для изготовления грунтового теплообменника, необходимо уложить в траншею трубопровод. Обычно общая длина труб составляет от 15 до 50 метров, в зависимости от возможности и площади.
Для эффективного охлаждения (или нагрева), должна быть большая длина трубопровода в теплообменнике. Если территория участка позволяет, то можно уложить вокруг него одну трубу. Если же площадь ограничена, тогда выходом из положения будет параллельная укладка. Диаметр трубопровода должен быть в диапазоне от 200 до 250 миллиметров.
Полипропиленовые трубы будут отличным выбором для системы. Чтобы обеспечить лучшую теплопроводность, нужно использовать трубопровод с большой поверхностью и меньшей толщиной стенок. Как вариант – гофрированный материал. Тогда тепло не будет оставаться в грунтовой системе. Укладка в траншее требует уклон 2%, независимо от сторон. Уклон будет служить для стока конденсата, появляющегося при охлаждении внешнего воздуха в жаркую погоду.
Удаление конденсата происходит за счет отверстия, которое создается на нижней отметке трубы. Сток жидкости осуществляться через дренажный колодец, в канализацию или прямо в землю. Если на участке низкий уровень грунтовых вод, то необходимо изготовить песчаную подушку. Конец трубы, который будет стоять на участке, должен быть оборудован фильтром. Также конец нужно установить выше уровня снега, который обычно выпадает.
Если в регионе снег является редким гостем, то высота выступающей трубы не должна быть меньше 1.5 метра. Это делается для защиты от радона – радиоактивного почвенного газа, которого больше всего возле поверхности. На конец трубы устанавливается воздухозаборник. Он оснащается фильтром и крепкой металлической сеткой. В трубу не должны попадать осадки, листья, грызуны, птицы или насекомые. При наличии возможности, воздухозаборник нужно поставить как можно дальше от источников загрязнение или запахов, допустимый минимум – 10 метров.
Изготовление бесканального теплообменника
грунтовой бесканальный теплообменник
Бесканальный грунтовой теплообменник подразумевает изготовление котлована с длиной около 3-4 метров и глубиной на 80 сантиметром. Котлован наполняется слоем гравия, а сверху покрывается пенобетонным покрытием. Эта конструкция позволяет получить температуру внутри специального слоя, которая не будет отличаться от температуры в грунте на глубине 5 метров. После изготовления котлована, из него нужно вывести трубу для поступления свежего воздуха.
Изготавливается этот патрубок по такой же схеме, как и в трубном теплообменнике. Ещё одна труба должна идти от специальной слоя до вентиляционной системы помещений. По простой схеме воздух начинает циркулировать. Он не только увлажняется, но и очищается. Плюс конструкции – это повышенная фильтрация. Минус – более низкая эффективность, чем в трубной системе.
Итог
Изготовить воздушный грунтовой теплообменник достаточно дешево. Больше всего его работа заметна в зимнее время, насыщенное морозами. С охлаждением система справляется менее эффективно. Кондиционер будет гораздо эффективнее, чем грунтовая система обмена. Но плюс теплообменной системы заключается в дешевизне её установки и дальнейшей эксплуатации. Расходоваться будет только электроэнергия на работу вентилятора.
Видео со строительством грунтового теплообменника под плитой:
Геотермальная вентиляция для коттеджа
Энергия ветра и воды, солнечные батареи и геотермальная энергия из недр земли постоянно привлекают внимание людей. И этот интерес все растет, отчасти благодаря росту цен на энергоносители. Геотермальная вентиляция применяется и для жилых, и для общественных зданий, оптимизируется и развивается с технической и практической стороны.
Наша Земля – огромный живой организм. Одно из свойств Земли – она гигантский теплоаккумулятор. Верхние слои почвы находятся под влиянием погоды и солнечной радиации, их температура, влажность, плотность и прочие свойства крайне изменчивы. Но под почвой, в глубине от поверхности всего несколько метров – от двух до трех – ситуация другая. Температура там постоянна и находится в пределах примерно + 8⁰С зимой и + 12⁰С летом, эта температура сравнима со среднегодовой атмосферной температурой.
Константа подземных температур послужила отправной точкой идее – устроить возле дома теплообменную систему на глубине 2-3 метра (ниже глубины промерзания), и, пропуская через этот теплообменник, охлаждать приточный воздух летом, а зимой – наоборот, подогревать его. Получается тепловой насос, но не классический концентратор тепла, поскольку ни фреона, ни другого подобного теплоносителя в нем нет. Теплоносителем работает сам воздух, который идет по трубам. Природное тепло грунта, имеющего практически стабильную температуру ниже уровня промерзания — совершенно бесплатный вечный ресурс. И все материальные затраты на устройство геотермальной вентиляции имеют целью этот бесплатный ресурс использовать, для обеспечения человеку комфорта при неплохой экономии крайне небесплатных энергоресурсов.
Летом наружный воздух, перед тем, как попадет в воздуховоды системы вентиляции, пройдет по трубам грунтового теплообменника, и при циркуляции будет охлаждаться. Насколько охладится теплый воздух — это будет зависеть от длины и сечения труб подземного теплообменника, от разницы температур «жаркого» летнего воздуха и почвы на глубине, и от связанной с этими факторами и мощностью канальных вентиляторов скорости воздушной циркуляции. Возможно, приточно-вытяжной системе при этом больше не нужны будут ни охладители, ни компрессорные установки. Экономия, таким образом, сложится из упрощения конструкции вентиляционной системы и из экономии по ее эксплуатации.
Зимняя вентиляция будет работать по-другому.
На улице воздух минус 30⁰С, и это не предел, а нагреть его нужно до + 18⁰С. Причем по нормам воздухообмена необходимо, чтобы воздух в доме полностью заменялся на свежий три раза за один час. Тепло Земли в этом случае существенно сокращает затраты на воздушные обогреватели и электроэнергию для них. Калориферы, конечно, все равно потребуются, ведь воздух из грунтового теплообменника будет поступать не теплее, чем + 6⁰С — + 8⁰С. Но разница температур догрева для канальных вентиляторов в 12⁰С и разница в 45⁰С показывает – экономия реальна.
В межсезонье вентиляция по геотермальному принципу сглаживает среднесуточные температурные пики и помогает создать в доме комфортные условия в любую погоду. Весной и осенью имеются временные периоды, когда ни греть, ни охлаждать свежий уличный воздух не надо. Этот факт привел к следующему усложнению систем теплообмена – созданию второго параллельного контура воздуховодов для циркуляции приточного воздуха без захода в подземный теплообменник. Экономия, имеющаяся в результате этого решения – значительное снижение нагрузки на калориферы и канальные вентиляторы в осенний, весенний и «стабильные» климатические периоды.
Как вариант – иногда предусматривают способы, позволяющие отключить геотермальный теплообменник, чтобы чистый воздух с улицы напрямую шел в дом, естественным путем через оконные клапаны, открытые форточки или инфильтрационные клапаны, вмонтированные в наружные стены (КИВы).
На практике охладить уличный воздух летом удается в пределах 10⁰С — 12⁰С, то есть, если на улице + 30⁰С, в помещения будет приток воздуха с температурой +20⁰С. Зимой реально подогреть воздух от — 20⁰С до 0⁰С, а до комфортной температуры будет греть калорифер с терморегулятором, как обычно. Таковы параметры грунтового теплообмена, которые дает людям климат средней полосы России.
Сопутствующих проблем при проектировании и устройстве геотермальной вентиляции возникало достаточно, и не все они решены и по сей день. Самые простые из первых вопросов – а как чистить воздуховоды грунтового теплообменника, каким способом отводить конденсат? Ведь патогенные микроорганизмы только и ждут тепла, влаги и покоя, чтобы начать бурно размножаться.
Нужен уклон подземных трубопроводов для стока конденсата, необходимы смотровые колодцы, вероятно сезонная очистка фильтров. Кроме того, вентиляторы на систему явно потребуются намного мощнее, чем были по схеме улица – дом… и еще множество вопросов. Технические задачки решались и решаются, и отзывы о работе тепловых насосов — бесканальных и трубных теплообменников — активно обсуждаются на форумах.
Следующая идея оптимизации теплообмена путем рекуперации ждать себя не заставила. Рекуперация – дополнительная система вентиляции — тоже работает по принципу теплообмена, нагревая морозный приточный воздух от нагретого утилизируемого. В конструкциях рекуператоров основные элементы – вентиляторы, оборудованные фильтрами, воздуховоды и нагревающие устройства. Расположена вся конструкция в доме.
Двухконтурные теплообменники не только охлаждают чистый наружный воздух, но и утилизируют воздух от вытяжки, при этом и происходит выгодный теплообмен – рекуперация. Результатом работы «воздушно-грунтовой» системы в данном случае будет не только экономия электроэнергии и ресурса рекуперационной установки, но и решение проблемы сохранения конструкции рекуператора, поскольку конденсат в трубопроводах не будет замерзать. Эта проблема имеет место, когда в рекуператор идет морозный воздух, и решается дополнительными техническими ухищрениями.
Как правило, грунтовый теплообменник монтируют в комплексе с рекуператором. Один из методов — «труба в трубе», при этом по внешней трубе поступает воздух с улицы, а по внутренней происходит вытяжка использованного воздуха. В этом случае материал воздуховодов, как правило, «пищевая» нержавеющая сталь спирально-навивной прокатки. Применение оцинкованных крепежей и фасонных частей в подземных воздуховодах было проблемно в части применения классической для воздуховодов точечной сварки — происходит выгорание цинка и последующая коррозия мест сварки. Одним из решений стало соединять листовую сталь в замок с применением заклепочных соединений.
Таким образом, дорогие престижные бренды всего мира с их профессиональными геотермальными системами имеют конкурентов – увлеченных и грамотных инженеров и частных строителей. Существуют отечественные проекты подземных теплообменников с расположением практически вертикально – для домов, построенных на крутых склонах. Вентиляция с геотермальным притоком по упрощенному типу – одна из схем, реализуемых с затратами, сопоставимыми «с жизнью».
Принимать решение об установке геотермальной системы следует вовремя – при проектировании дома и всех его систем. Переделать уже имеющуюся вентиляционную систему сложно и затратно, кроме того, нарушать благоустройство новым этапом земляных работ нецелесообразно. Грунтовые теплообменники монтируют одновременно с закладкой фундамента, разводку вентканалов делают параллельно с устройством коробки дома, а подключают систему после завершения отделочных работ.
Геотермальный теплообмен, как вид принудительной вентиляции, сегодня с успехом (достигаемым зачастую путем проб и ошибок), применяет все большее число индивидуальных строителей.
Водяной и грунтовый теплообменники для приточной вентиляции в СПб
Компания «Нева Климат» более десяти лет профессионально занимается монтажом водяных и грунтовых теплообменников для приточной вентиляции в Санкт-Петербурге (СПб) и области.
Вентиляция воздуха в помещении в целях нагрева воздуха и ликвидации той разницы температур, что существует между уличным воздухом и комнатным, оснащается теплообменником.
Виды теплообменников для приточной вентиляции
Различают водяной теплообменник для приточной вентиляции и грунтовый (подземный) теплообменник.
Водяной теплообменник для приточной вентиляции.В систему теплоснабжения можно встроить калорифер водяной для приточной вентиляции, состоящий из двух, трех или четырех рядов – такие модели теплообменника приточной системы более всего распространены в России.
Чем больше количество рядов, тем большей площадью водяной системный теплообменник может оперировать при соприкосновении через стену воздуха и водного носителя тепла.
Однако водяной теплообменник для приточной вентиляции имеет существенный недостаток – чем больше места отведено для труб, подводящих воздух, тем меньше места отводится для пропускания жидкого теплоносителя.
Такая конфигурация теплообменника вентиляции вынуждает либо находить компромисс при размещении труб, либо значительно увеличивать размеры смесителя.
Водяной теплообменник не позволяет регулировать температуру приходящего воздуха, и в этих случаях для вентиляционного калорифера устанавливают трехходовой кран – устройство, направляющее водный теплоноситель на большой или малый круги нагрева.
Грунтовый теплообменник для вентиляции.
Установка грунтового теплообменника выгодна в финансовом отношении, так как требует затрат только на установку, а тепло поставляется для вентиляции грунтовым слоем.
Для прокладки систем с грунтовым теплообменником используют трубы из ПВХ, их удобно монтировать благодаря уплотнительным резинкам и раструбам.
Прокладка поворотов труб для систем с грунтовым теплообменником не требует сварки, а использует фитинги – уголки и тройники.
Грунтовый слой в разных регионах промерзает по-разному, поэтому при прокладке систем с грунтовым теплообменником необходимо придерживаться определенной глубины.
Монтаж труб для вентиляционных систем с грунтовым теплообменником проводят на глубине 1,5-2 м, если температура земли не опускается ниже 10 оС. При монтажных работах с грунтовым слоем соблюдают уклон в 2 см на каждый 1 см погонный, чтобы дать стечь попавшему внутрь конденсату.
Для жилых домов системы с использованием грунтового теплообменника можно делать бесканальными – вместо зарытых в землю труб грунтовый теплообменник будет подогревать всасываемый воздух в нише, заполненной щебнем.
Теплообменник грунтовый с использованием щебневой ямы будет работать , если вырыть котлован, не доходя 1 м до глубины, где грунт промерзает. Для всасывания воздуха система с грунтовым теплообменником использует вертикальную трубу, уходящую в щебень.
Грунтовый теплообменник такой конструкции практически не требует ремонта, за исключением очистки всасывающей воздух трубы.
В трубопроводе не будет замерзания конденсата, так как воздух подается всегда одной температуры. Подобная проблема обычно случается при использовании только рекуператора, когда в него идет морозный воздух.
Для изготовления грунтового теплообменника, необходимо уложить в траншею трубопровод. Обычно общая длина труб составляет от 15 до 50 метров, в зависимости от возможности и площади. В конструкции могут быть повороты труб, так как они почти не влияют на движения воздуха в системе. Укладывая трубопровод, нужно понимать, что чем он длиннее, тем эффективней будет происходить обмен тепла. Но при повышении длины будет вырастать аэродинамическое сопротивление.
При наличии возможности, воздухозаборник нужно поставить как можно дальше от источников загрязнение или запахов, допустимый минимум – 10 метров.
Но требования к энергосберегающим домам безостановочно растут, и в последнее время домовладельцы все чаще стали делать грунтовые теплообменники, которые подогревают воздух перед его поступлением в систему вентиляции. В этой статье мы расскажем, как сделать грунтовый теплообменник для вентиляции своими руками и об опыте эксплуатации этого устройства.
В трубных – через подземные трубы. Безмембранные теплообменники – это комбинация трубных и гравийных: в них на ровный слой гравия укладывается ровный слой полимерных плит.
В этой точке сделан дренаж, а от нее под домом идет одна двенадцатиметровая труба, которая ведет к рекуператору.
Познакомьтесь с рекомендациями для оптимального устройства геотермального “рассольного” контура для теплового насоса.
При резких колебаниях температуры наружного воздуха температура на глубине свыше 1,5 м остается постоянной, как и температура приточного воздуха на входе в систему воздухообмена.
34 x ?t(ºС) = 300 м³/час х 0,34 х 10/1000 = 1,02 кВт.
5 x 1,53кВт = 3305 кВт*ч.| Суммарные затраты за весь год на нагрев или охлаждение свежего воздуха: | Затраты тепловой энергии за год, кВт*ч | Экономия тепловой энергии за год, кВт*ч |
| При отсутствии системы утилизации тепла | 5959 | — |
| При использовании геотермальной системы | 3325 | 2634 |
| При использовании геотермальной системы и установки с рекуперацией тепла ВУТ | 1538 | 4421 |
Применение геотермального теплообменника системы позволяет повысить тепловую эффективность приточно-вытяжной установки системы Гео Вентс Дуо на ?=2634/(4421-2634)*100% = 147%
Система ГЕО ВЕНТС ДУО использует низкопотенциальное тепло земли, то есть является тепловым насосом и для характеристики эффективности системы применяется коэффициент SPF – Фактор сезонной мощности (EN14511), который определяется как отношение количества полученной тепловой энергии к количеству потребленной электрической с учетом сезонных изменений температуры воздуха/грунта.
Для получения от грунта 2634 кВт·ч тепловой мощности в год вентиляционной установкой тратится 635 кВт·ч электроэнергии.
SPF = 2634/635 = 4,14.
Грунтовый теплообменник
В этой системе еще до того, как воздух достигнет рекуператора, он проходит через грунтовый теплообменник, который охлаждает его летом и нагревает зимой.
Механическая вентиляция с рекуперацией позволяет добывать тепло из воздуха, удаляемого из дома. Оснащение его дополнительным элементом — грунтовым теплообменником — повышает его эффективность. Благодаря этому воздух, поступающий в рекуператор, становится прохладнее летом и теплее зимой.
Использование грунтового теплообменника повышает эффективность механической вентиляции с рекуперацией и повышает тепловой комфорт во внутренних помещениях, а также снижает затраты на отопление. Его работа обходится намного дешевле, чем кондиционер (но он не может полностью заменить его). Использование грунтового теплообменника означает, что в систему очистки воздуха всегдапоступает воздух с плюсовой температурой, что предотвращает замерзание конденсата. Следовательно, нет необходимостиразмораживать рекуператор, что повышает его эффективность.
Грунтовый теплообменник является относительно простой установкой. Он состоит из внешней и внутренней части. Внешняя часть находится в земле — обычно ниже глубины замерзания земли; на уровне около 1,5-2 м, где температура постоянна в течение всего года. Он также может быть установлен на менее глубокую поверхность, но тогда он должен быть теплоизолирован.
Наиболее благоприятные условия для его работы обеспечивают влажные и суглинистые почвы. Сухие и песчаные почвы накапливают энергию хуже. Внутренняя часть располагается рядом с рекуператором. Установка грунтового теплообменника лучше всего спланировать и осуществить как можно раньше во время строительства дома. Его реализация в более позднее время тоже возможна, но это будет более сложная задача и потребуется больше работы.
Типы грунтовых теплообменников
В простейшем варианте наземный теплообменник состоит из трубы, проложенной на соответствующей глубине. Этот тип установки называется диафрагмальным. Труба должна иметь такой диаметр, который обеспечит свободный поток необходимого количества воздуха, а также должна быть уложена с уклоном, который позволит конденсату, образовавшемуся летом, стечь.
Одна труба для вентиляции частного дома среднего размера должна быть длиной 30-50 м. Если это условие выполнить проблематично, более короткие трубы можно проложить параллельно. Конденсатная скважина и воздухосборник являются частью трубчатого теплообменника.
Другой тип грунтового теплообменника представляет собой систему без мембраны. В этой версии воздух не проходит черезподземную трубу, но имеет прямой контакт с правильно подготовленной почвой. Нагревает или охлаждает, протекающий через слой гравия воздух. Почвенный теплообменник без мембраны состоит из траншеи глубиной 80 см, заполненной очищенным гравием. С одной стороны, гравий накапливает энергию, с другой — он является фильтром, который очищает воздух.
Воздух подается в гравий через воздухосборник и горизонтально проложенную дренажную трубу. С другой стороны раскопок располагают трубу, воздух которой всасывается дальше. Гравийный теплообменник регенерирует медленнее, чем трубчатый — температура гравия изменяется под воздействием протекающего воздуха, и для его стабилизации требуется больше времени, чем в случае мембранным теплообменника.
Пластинчатый теплообменник — это другой тип безмембранного теплообменника. В этом случае вместо гравийного слоя выкладываются специальные плиты с зазорами, через которые проходит воздух. Плиты размещены на песчано-гравийном слое, теплоизолируются сверху и покрываются грунтом. Воздух, который проходит через этот тип теплообменника, имеет прямой контакт с землей.
Пластинчатый теплообменник меньше, но занимает площадь, в несколько раз большую, чем гравийный.
В результате поверхность теплообмена становится большой, что гарантирует высокую эффективность установкиданного типа. Пластинчатый теплообменник эффективно восстанавливается.
Промежуточный фактор также может быть использован в грунтовом теплообменнике. Мы говорим тогда о гликолевом теплообменнике, который имеет трубчатую структуру. При таком расположении воздух проходит через нагреватель, питаемый раствором гликоля, который получает тепло от земли или охлаждается под его воздействием. Гликоль циркулирует в катушке и передает энергию воздуху, поступающему в дом. В этой системе нет воздухосборника, но перед входом в рекуператор установлен гликолевый воздухообменник.
Регенерация теплообменника
В результате получения энергии из земли температура последнего изменяется. Если энергия не пополняется быстро, разница температур уменьшается, поэтому эффективность установки снижается. Грунтовый теплообменник должен успеть восстановиться. Поэтому стоит отсоединять теплообменник, когда разница в температуре воздуха до и после него невелика, а также снизить интенсивность вентиляции, когда дом пуст. Это позволяет более энергии дольше сохраняться.
Современные грунтовые теплообменники работают автоматически; приточная установка втягивает воздух, если температура достигает определенного уровня. Рекуператоры, взаимодействующие с грунтовыми теплообменниками, должны быть оборудованы байпасом для вытяжного воздуха из помещений. Когда байпас открыт, обработанный воздух обходит теплообменник и направляется прямо к пусковой установке. Благодаря этому он не нагревает входящий воздух без необходимости летом.
Грунтовый теплообменник
Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в устройствах, охлаждающих жилые и иные сооружения в теплый период года и нагревающих эти сооружения в холодное время года. Технический результат — снижение затрат на создание и эксплуатацию грунтовых теплообменников за счет использования уже существующих горных выработок — колодцев, вертикальных и наклонных стволов шахт, горизонтальных подземных выработок а также снижение энергозатрат на преобразование температуры.
Достигается технический результат за счет того, что грунтовый теплообменник включает теплообменник потребителя, сопряженный с реверсивным устройством, заглубленный в грунтовый массив подземный теплообменник, совместно соединяющие теплообменники трубопроводы, образующие замкнутую систему, заполненную рабочим телом в виде жидкости и ее паров, а также устройство, обеспечивающее циркуляцию рабочего тела по трубам, причем подземный теплообменник выполнен в виде горной выработки с пропущенными через ее боковые стены по всей глубине в радиальном направлении последовательно или параллельно соединенными горизонтальными или наклонными трубопроводами. Горная выработка может иметь наклон в пределах от 0 до 90 градусов к горизонтальной плоскости. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в устройствах, охлаждающих жилые и иные сооружения в теплый период года и нагревающих эти сооружения в холодное время года.
Известны два типа замкнутых теплообменников, расположенных в грунтовом массиве, использующих теплоту грунта и грунтовых вод с помощью трубопроводов, образующих замкнутую систему, заполненную рабочим телом в виде жидкости и ее паров (См. статья «Использование низкопотенциальной тепловой энергии земли в теплонасосных системах» Васильев Г.П., Научный руководитель ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ», д.т.н.. Председатель Совета директоров ОАО « ИНСОЛАР-ИНВЕСТ» Н.В.Шилкин, инженер, НИИСФ):
1. Горизонтальные грунтовые теплообменники, представляющие собой отдельные трубы, расположенные в предварительно вырытых траншеях, положенные относительно плотно и соединенные между собой последовательно или параллельно.
Недостатком горизонтального грунтового теплообменника является ограниченная область применения ввиду необходимости использования больших площадей поверхности земли для их устройства.
2. Вертикальные грунтовые теплообменники, представляющие собой отдельные трубы, расположенные в пробуренных в земной коре скважинах, также соединенные между собой последовательно или параллельно.
Недостатком вертикальных грунтовых теплообменников является высокие затраты на строительство и невозможность обслуживания.
Также известен тепловой аккумулятор, приняты авторами за прототип (См. (19) RU (11) 2359183 (13) C1 (51) МПК F24J 3/08 (2006.01) (12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ Статус: по данным на 18.02.2011 — действует; (21), (22) Заявка: 2007141726/06, 09.11.2007 (24) Дата начала отсчета срока действия патента: 09.11.2007; (45) Опубликовано: 20.06.2009; (72) Автор(ы): Ермаков Сергей Анатольевич (RU), (73) Патентообладателей): Ермаков Сергей Анатольевич (RU), (54) ТЕПЛОВОЙ АККУМУЛЯТОР), включающий тепловой аккумулятор, который содержит надземный теплообменник потребителя, сопряженный по тепловому потоку с реверсивным холодильным устройством, а также заглубленный в грунтовой массив подземный теплообменник, совместно с соединяющими теплообменники трубопроводами, образующими замкнутую систему, заполненную рабочим телом в виде жидкости и ее паров, в котором подземный теплообменник выполнен в виде опускной и подъемной труб; опускная труба свободно сообщается с надземным теплообменником, а подъемная труба сообщается с надземным теплообменником через устройство, содержащее накопительно-вытеснительный сосуд с устройствами.
Недостатками известного технического решения также является ограниченная область применения, высокая стоимость изготовления и невозможность периодического обслуживания грунтового теплообменника в процессе эксплуатации.
Изобретение направлено на расширение области применения и снижение затрат на создание и эксплуатацию грунтовых теплообменников.
Технический результат изобретения заключается в использовании уже существующих горных выработок — колодцев, вертикальных и наклонных стволов шахт, горизонтальных подземных выработок действующих или переставших давать добычу горных предприятий для размещения в них грунтовых теплообменников, а также снижение энергозатрат на преобразование температуры.
Достигается технический результат за счет того, что грунтовый теплообменник включает теплообменник потребителя, сопряженный с реверсивным устройством, заглубленный в грунтовый массив подземный теплообменник, совместно соединяющие теплообменники трубопроводы, образующие замкнутую систему, заполненную рабочим телом в виде жидкости и ее паров, а также устройство, обеспечивающее циркуляцию рабочего тела по трубам, причем подземный теплообменник выполнен в виде горной выработки с пропущенными через ее боковые стены по всей глубине в радиальном направлении последовательно или параллельно соединенными горизонтальными или наклонными трубопроводами. Горная выработка может иметь наклон в пределах от 0 до 90 градусов к горизонтальной плоскости.
На фиг.1 представлен разрез вертикальной выработки.
На фиг.2 представлен разрез наклонной выработки.
На фиг.3 представлен разрез горизонтальной выработки.
На фиг.4 представлен поперечный разрез грунтового теплообменника.
Предлагаемый грунтовый теплообменник устроен следующим образом.
Основными узлами предлагаемого грунтового теплообменника являются: теплообменник потребителя 1, сопряженный по тепловому потоку 2 с реверсивным холодильным устройством 3, и заглубленный в грунтовой массив 4 подземный теплообменник 5, представляющий собой горную выработку 6, боковые стенки которой закреплены крепью 7.
По длине выработки 6 в радиальном направлении под различными углами расположены трубопроводы 8, представляющие собой последовательно или параллельно соединенные трубы.
Радиально направленные трубопроводы 8 по длине выработки сгруппированы в ярусы 9 (этажи или сегменты). Ввиду необходимости восполнения низкопотенциальной энергии грунтового массива 4 необходимо, чтобы трубопроводы были расположены максимально далеко друг от друга. Для этого радиально расположенные трубопроводы 8 каждого яруса 9 расположены со сдвигом на некоторый угол относительно друг друга в плоскости, перпендикулярной оси выработки.
Теплообменник потребителя 1 соединен с подземным теплообменником 5 соединительным трубопроводом 10.
Теплообменник потребителя 1 и подземный теплообменник 5 вместе с соединительным трубопроводом 10 представляют собой замкнутую систему, заполненную рабочим телом в виде жидкости и ее паров. Циркуляция рабочего тела по замкнутой системе обеспечивается циркуляционным устройством 11.
Изготовление подземного теплообменника 5 осуществляется как с использованием специально построенных (колодцы, шурфы, штольни), так и существующих горных выработок — вертикальные и наклонные стволы шахт, горизонтальные подземные выработки действующих или переставших давать добычу горных предприятий.
В зависимости от типа используемых труб и крепости грунтового массива 4 размещение трубопровод 8 осуществляется в предварительно пробуренных скважинах или посредствам вдавливания труб в грунт.
Предлагаемый грунтовый теплообменник работает следующим образом.
Циркулируя по замкнутой системе труб теплообменника потребителя 1, подземного теплообменника 5 и соединительного трубопровода 10 под воздействием циркуляционного устройства 11, рабочее тело (жидкость) поочередно подвергается температурному воздействию в обоих теплообменниках.
Проходя по трубопроводам 8 подземного теплообменника 5, рабочее тело получает тепловую энергию грунтового массива 4, в котором расположен теплообменник 5, и приобретает температуру грунта.
При условии расположения трубопровода 8 подземного теплообменника 5 ниже глубины промерзания эта температура всегда остается положительной и колеблется примерно от +5°С в зимний период до +18°С в летний период.
Поступая к теплообменнику потребителя 1, рабочее тело отдает накопленную в подземном теплообменнике 5 энергию в виде температуры. При этом рабочее тело получает энергию теплообменника потребителя 1 и приобретает соответствующую температуру, после чего опять поступает в трубопроводы 8 подземного теплообменника 5.
Этот цикл постоянно повторяется.
В совокупности с реверсивным холодильным устройством 3 грунтовый теплообменник позволяет значительно снизить энергозатраты.
Например, в летний период, когда температура воздуха на открытой поверхности достигает 40°C, и иногда и более, необходимо значительное количество энергии для преобразования температуры воздуха с 40°C до, например, 25°C.
Использование предлагаемого грунтового теплообменника позволяет расширить область его применения, значительно снизить затраты на изготовление, в случае необходимости производить эксплуатационное обслуживание, а также позволяет значительно снизить энергозатраты при работе реверсивного холодильного устройства.
1. Грунтовый теплообменник, включающий теплообменник потребителя, сопряженный с реверсивным холодильным устройством, заглубленный в грунтовый массив подземный теплообменник, совместно соединяющие теплообменники трубопроводы, образующие замкнутую систему, заполненную рабочим телом в виде жидкости и ее паров, а также устройство, обеспечивающее циркуляцию рабочего тела, отличающийся тем, что подземный теплообменник выполнен в виде горной выработки с пропущенными через ее боковые стены по всей глубине в радиальном направлении последовательно или параллельно соединенными горизонтальными или наклонными трубопроводами.
2. Грунтовый теплообменник по п.1, отличающийся тем, что горная выработка может иметь наклон в пределах от 0 до 90° к горизонтальной плоскости.
Геотермальная вентиляция — нагрев и охлаждение приточного воздуха
Наша планета — идеальный источник энергии для высокоэффективного нагрева и охлаждения воздуха в любом помещении. Геотермальная технология использует свойство грунта сохранять тепловую энергию, накопленную в летний период, ровно так же, как аккумулятор заряжается от электросети, питая впоследствии ваш ноутбук или смартфон. Данная технология идеально подходит для решения вентиляции, кондиционирования и отопления в пассивных домах и домах с нулевым потреблением энергии.
Используя передовые технологии, система использует накопленную энергию, чтобы обеспечить комфорт для вашего дома в течение всего года. Тепловая энергия собирается и передается через геотермальный контур — подземную трубопроводную систему. Благодаря этой передовой технологии, вы не только сэкономите деньги, но и достигнете небывалого уровня безопасности, тишины и комфорта.
В рассматриваемом нами случае геотермальный контур предназначается для предварительного нагрева или охлаждения приточного воздуха. Поскольку вентиляция является высоко затратной системой в части потребления энергии, то геотермальный контур практически бесплатно и круглый год обеспечивает требуемый порядок теплообмена.
Геотермальный теплообменник делится на два типа: воздушный и гликолевый (водяной).
Воздушный теплообменник представляет собой решетку или длинный прямой воздуховод из ПВХ трубы, проложенный в земле ниже глубины промерзания грунта. Воздух, проходя по трубе, нагревается или охлаждается от соприкосновения со стенками трубы.
К любой приточно-вытяжной установке производимой компанией TURKOV можно подключить опцию геотермального контура.
Приточно-вытяжная установка с геотермальным контуром в режиме нагрева работает по следующему алгоритму:
— автоматика геотермального контура контролирует температуру воздуха на улице (
t10) и внутри геотермального контура (t11).Если воздух в геотермальном контуре (t11) будет выше, чем на улице (t10), то автоматика откроет воздушный клапан геотермального контура (2), а воздушный клапан уличного воздуха закроется (1).
Если температура уличного воздуха (t10) будет выше геотермального (t11), то автоматика откроет воздушный клапан уличного воздуха (1), а воздушный клапан геотермального контура (2) закроется.
При переключении приточно-вытяжной установки в режим вентиляции (без нагрева и охлаждения) автоматика геотермального контура перестает контролировать температуры улицы и геотермального контура, и переводит воздушные заслонки в режим классической вентиляции.
При переключении автоматики приточно-вытяжной установки в режим кондиционирования автоматика начинает работать по следующему алгоритму. Если воздух в геотермальном контуре (t11) будет выше, чем на улице(t10), то автоматика откроет воздушный клапан уличного контура(1), а воздушный клапан геотермального воздуха закроется (2).
Если температура уличного воздуха (t10) будет выше геотермального (t11), то автоматика закроет воздушный клапан уличного воздуха (1), а воздушный клапан геотермального контура откроется (2).
Для более эффективного использования геотермального контура в режиме кондиционирования, приточно-вытяжную установку необходимо доработать линией байпаса, в противном случае часть холода будет рекуперироваться в вытяжной воздух. Алгоритм работы автоматики приточно-вытяжной установки в режиме кондиционирования следующий. При повышении температуры на датчике D5 (t5) выше уставки (на пульте управления) автоматика отключает приточный вентилятор внутри установки, включает внешний вентилятор (5) и открывает воздушный клапан (4). Обратный клапан (6) препятствует прохождению приточному воздуху через рекуператор. При работе приточно-вытяжной установки в режиме кондиционирования, автоматика геотермального контура самостоятельно определяет, через какой контур лучше забирать уличный воздух.
При достижении на датчике D5(t5) уставки (на пульте управления), автоматика включает приточный вентилятор внутри установки, выключает внешний вентилятор (5) и закрывает воздушный клапан(4). При работе приточно-вытяжной установки в режиме кондиционирования, автоматика геотермального контура самостоятельно определяет через какой контур лучше забирать уличный воздух.
Геотермальная система вентиляции и отопления — наилучшее решение для снижения затрат на эксплуатацию инженерных систем здания, плюс максимальный комфорт и повышенная надежность.
Поделиться в социальных сетях:
Геотермальная вентиляция: выгоды применения в контексте сезонности
06.02.2018 Геотермальные вентиляционные системы уникальны тем, что требуют для поддержания комфортной температуры воздуха намного меньших затрат энергетических ресурсов. Электричество здесь используется исключительно для создания принудительного воздушного потока, а температурные параметры в помещении достигаются за счет применения так называемой геотермальной энергии. Это обеспечивает повышение энергоэффективности системы и значительное снижение расходов на ее эксплуатацию, что особенно актуально на фоне постоянного роста стоимости нефти, угля и природного газа.Принцип действия
Технология геотермальной вентиляции основывается на том, что грунт представляет собой колоссальный тепловой аккумулятор. Для изменения его температуры (к примеру, под воздействием атмосферного воздуха) требуется длительное время. При этом меняются только температурные показатели верхних слоев грунта (до глубины полутора-двух метров), а ниже уровня промерзания (от трех метров и более) они остаются практически стабильными в течение всего календарного года:
- В зимний период температура составляет +5-7°С выше нуля.
- В летнее время может достигать +10-12°С.
Таким образом, геотермальные системы вентиляции работают на основе грунтового теплообменника и используют природное тепло путем его утилизации.
В западноевропейских странах технология стала весьма распространенной. Практическим путем доказано, что зимой с помощью такой системы можно нагреть поступающие в помещение воздушные потоки до комфортной плюсовой температуры, а летом – охладить до показателей +18-20°С.
Особенности устройства
Геотермальная вентиляция немного схожа с классической системой канального типа, но оснащенной дополнительным контуром воздуховода, который расположен ниже уровня промерзания грунта. В данном случае подземный воздуховод представляет собой грунтовый коллектор.
При необходимости эффективность процессов теплообмена повышается за счет обустройства двухконтурного воздуховода, где наружный контур обеспечивает поступление приточного воздуха, а внутренний – удаление отработанных потоков. Таким образом, грунтовый воздуховод также выступает в роли рекуператора.
«Зимняя» геотермальная вентиляция
Такая вентиляция является практически универсальной и может использоваться в жилых, общественных, производственных и складских помещениях. Главное ее назначение зимой заключается в сокращении затрат на подогрев приточных воздушных масс.
Для создания здорового микроклимата внутри очень важна чистота и свежесть воздуха. А чтобы его температура находилась в пределах комфортного порога, воздух предварительно подогревается. Традиционное решение для этой цели — водяные или электрические канальные нагреватели. Однако в геотермальной технологии полностью отпадает надобность в рекуператорах, поскольку в роли теплообменника выступает почва. За счет температуры приточных воздушных потоков, составляющей +6-+9°С, нагрузка на калориферы существенно снижается. Это обеспечивает значительное снижение затрат на электрическую энергию и продление эксплуатационного срока оборудования.
«Летняя» геотермальная вентиляция
Основной задачей приточной вентиляции в летний период является обеспечение активного воздухообмена и быстрого кондиционирования. Классическая схема вентиляционной системы предусматривает охлаждение приточных воздушных масс за счет размещения водяных охладителей в вентиляционных каналах. Обустройство геотермальной системы позволяет полностью отказаться от подобных устройств, поскольку ее принцип работы предусматривает охлаждение воздуха путем его взаимодействия со слоями почвы.
На интенсивность работы системы влияют такие факторы, как:
- скорость движения воздуха;
- протяжность воздуховода под землей.
Межсезонная вентиляция
Период межсезонья характеризуется незначительной разницей между температурными показателями внутри помещения и снаружи. В это время нет смысла использовать геотермальную вентиляцию для обогрева или кондиционирования воздуха, так как подачу воздушных потоков можно осуществлять напрямую.
От длины и конфигурации воздуховодов непосредственно зависят показатели мощности вентилирующего устройства и, соответственно, потребление системой энергетических ресурсов. Для снижения ее расходов на эксплуатацию в межсезонье используется менее протяженный контур, который способствует уменьшению нагрузки на вентиляторы и обеспечивает экономию электроэнергии, необходимой для принудительной циркуляции воздуха.
Обустройство системы
Для обеспечения правильной и эффективной работы вентиляционной системы геотермального типа оптимально произвести ее проектирование и обустройство на этапе строительства самого здания. Это позволит избежать необходимости в перекапывании грунта вокруг уже построенного дома, повреждении газонов и садовых дорожек.
Преимущества системы
Несмотря на всю сложность технического обустройства геотермальной вентиляции, связанную с установкой теплообменника под землей, эта технология имеет массу очевидных преимуществ. В их числе:
- низкие затраты на единицу выработанной тепловой энергии;
- быстрая самоокупаемость, которая обеспечивается высокоэффективной рекуперацией;
- долговечность за счет отсутствия подвижных деталей;
- возможность применения как для нагрева, так и для охлаждения воздуха – в зависимости от сезонности.
Кроме того, использование геотермальной вентиляции не оказывает пагубного воздействия на окружающую среду, поэтому такая система может устанавливаться практически на любом объекте.
Типы подземных теплообменников (GHEX)
Земля как тепловая батарея (28 секунд)
Подземные теплообменники для геотермальных тепловых насосов (ГТН) не размещаются до тех пор, пока не будут известны тепловые нагрузки зданий, которые они будут обслуживать. Начать бурение или копать и просто «бросить трубу» не приведет к эффективной установке. Это больше похоже на то, как в июле в Долине Смерти заклеить передний радиатор автомобиля картоном.Чтобы наши тепловые насосы работали эффективно (или для экономии двигателя вашего автомобиля), нам нужны надлежащие скорости теплообмена. Если вы хотите использовать землю в качестве тепловой батареи, эта батарея должна иметь достаточную емкость для отвода тепла, которое вы хотите получить (ИСТОЧНИК ТЕПЛА), или для импорта тепла, которое вы хотите утилизировать (ТЕПЛООБРАБОТКА). И, как и все батареи, кабельное соединение должно быть подходящего размера для передачи этой энергии со скоростью , которая вам нужна.
Контуры заземленияGHP — это не ракетостроение (особенно в небольших зданиях), но они требуют планирования и тщательной установки. Мы будем описывать и проиллюстрировать здесь множество типов, но все они предназначены для импорта или экспорта тепловой энергии в соединении GHP с землей. Хотя скважины и петли в траншеях являются местом «действия» теплообмена, коллекторы, которые подают и возвращают их, являются критически важными элементами, требующими некоторых проектных работ. Простота часто бывает рентабельной, но при этом элегантной.Существуют установленные системы, которые используют слишком много мощности накачки контура, тратя впустую электрическую энергию, которую можно было бы сэкономить с помощью более разумной конструкции. Правильное тестирование и ввод систем в эксплуатацию важны для того, чтобы конструкция зарекомендовала себя при запуске.
ТИПЫ ПОДЗЕМНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВСуществует два основных стиля систем доставки GHEX: замкнутый цикл и открытый цикл. Замкнутые контуры являются наиболее распространенными и циркулируют одну и ту же жидкость между основным теплообменником теплового насоса и подземным режимом — снова и снова.Открытый контур перекачивает воду из колодца, пруда или озера в прямоточном режиме через главный теплообменник теплового насоса. То, где этот возвратный продукт заканчивается, может быть проблемой (и чистота этой воды важна для защиты теплообменника от мусора или биологического загрязнения), но это часто означает повышение эффективности (COP, коэффициент производительности) ) над схемами с замкнутым контуром. Почти во всех петлях используются трубы из полиэтилена высокой плотности (HDPE), а в некоторых — из полиэтилена с поперечными связями.Существует еще более редкая схема, называемая DX (прямой обмен), где сам контур хладагента контактирует с подземными пластами, но мы не будем рассматривать этот метод здесь.
Залитые геотермальные скважины Вертикально пробуренная скважина диаметром от 4,5 до 8 дюймов пробивается в грунт на заданную глубину (в зависимости от доступа, геологии, проводимости или выбора). Петля с U-образным изгибом трубы HDPE опускается на дно ствола, а временная линия, называемая «Tremie», отправляется на дно, где она перекачивает смесь бентонитовой глины, песка и воды по мере того, как она втягивается к поверхности. .Эта смесь фактически набухает на 5-8% относительно стенки скважины, помогая изолировать от перекрестного загрязнения водоносного горизонта или проникновения поверхностной воды вдоль залитого цементным раствором цилиндра
.
Множественные стволы в одном и том же поле ствола обычно разделены на 15-20 футов по бокам, чтобы обеспечить доступ к большей части пласта и свести к минимуму вероятность сноса бурения в соседние стволы. В зависимости от доступа, геологических характеристик пласта и типа проекта такие стволы могут иметь глубину от 150 до 600 футов.В последнем случае иногда используются двойные петли с U-образным изгибом.
Поскольку температура под землей не меняется ниже 25 футов, после того, как будет создана геотермальная скважина, температура, подаваемая в теплообменник контура заземления GHP, будет почти постоянной. По этой причине такие места с экстремальным климатом, как Северная Дакота зимой и Лас-Вегас летом, значительно выиграют от такой стабильной температуры воды на входе.
Горизонтальное бурениеТакже возможно горизонтальное бурение GHEX, обычно меньшего диаметра, с цементным раствором или без него, в зависимости от условий почвы.Буровые установки имеют меньшую стоимость и обладают отличной способностью спускаться на выгодную глубину под существующими зданиями и инфраструктурой (при условии, что все это известно заранее). Horizontal имеет большой потенциал для использования при модернизации существующих зданий с помощью GHP.
Траншейные установки (конфигурации с прямой трубой, беговой дорожкой и Slinky®)Более мелкая, но все же эффективная установка GHEX — это траншейная установка.Копать можно с помощью экскаватора с обратной лопатой, обычного экскаватора, мини-экскаватора или траншеекопателя с цепью, который выкапывает глубокую, но узкую щель в земле. В каждом случае состав почвы более важен, чем вертикальное бурение, из-за разнообразия грунтов и их проводимости в широких пределах. Если есть много места и рытье траншеи стоит недорого, обычно используется метод прямого развертывания трубы. Когда несколько труб движутся параллельно в одной плоскости, мы называем эту конфигурацию беговой дорожки. Когда доступна меньшая территория GHEX, возможен более концентрированный метод обмена.Он называется Slinky®, и его торговая марка происходит не от игрушки, а от уникального метода установки проводящей трубки.
На одной из фотографий галереи (ниже) приспособление используется для формирования петель Slinky® определенного диаметра и расстояния. Диаметр понять несложно. Питч может быть чем-то менее понятным. Это расстояние (в дюймах) между положением на 9 часов петли, которую вы только что закрепили, и положением на 9 часов следующей петли, которую вы размещаете. Например, петля диаметром 36 дюймов с шагом 36 дюймов будет представлять две петли, соприкасающиеся в их положениях на 9 часов (петля справа) и на 3 часа (петля слева).Петля Slinky®, показанная на приведенном ниже приспособлении, включает более 9 футов проводящей трубы на каждый линейный фут траншеи. Шеститрубный метод, проиллюстрированный на первом слайде, предусматривает развертывание 6 футов проводящей трубы на каждый линейный фут, а три верхних участка трубопровода находятся в менее эффективном и мелководном месте.
Поля петельSlinky® также возможны, но, если они не расположены широко между ними, они менее эффективны, чем одиночные, широко разнесенные участки (которые, соответственно, более дороги в установке).
Щелкните любое изображение для увеличения и перехода
Новейшая система вертикального размещения отверстий, Geo HelixБыла разработана еще одна система теплообменника, в которой используется шнек для бурения скважины диаметром 24 дюйма на глубину 22 дюйма.
Это отверстие принимает подвешенный вертикальный змеевик из трубы HDPE (полиэтилена высокой плотности) 3/4 дюйма, петли которой диаметром 22 дюйма разделены гибкими удерживающими полосами на расстоянии 7,7 дюйма. Засыпка — песок (без затирки) для немедленного уплотнения.Дренажная вода с крыши и поверхности может быть направлена в скважины для лучшего увлажнения и улучшения теплопередачи. GeoHelix изготавливается в выдвинутом положении, а затем складывается для хранения и транспортировки. Он удлиняется на всю длину непосредственно перед установкой в шнек. Примерно 2,5 из этих 20-футовых теплообменников в отверстиях глубиной 22 фута обслуживают одну тонну мощности теплового насоса в типичной почве. Во второй конфигурации GeoHelix используются трубы из полиэтилена высокой плотности ½ дюйма в скважинах глубиной 15 дюймов и диаметром 24 дюйма; 4 из них обычно используются на тонну мощности теплового насоса.Две версии GeoHelix имеют одинаковую площадь поверхности НКТ на тонну при рекомендуемом размере 2,5 и 4 бухты на тонну.
GeoHelix предназначен для однородных, не каменистых почв, таких как центральные долины Калифорнии, где легко выполняется бурение с предсказанием. Демонстрационный проект Honda Smart House в Вест-Дэвисе был построен с использованием этих теплообменников, как и Parkview Place, многоквартирное здание в центре Дэвиса (см. www.parkviewplacedavis.com ). GeoHelix производится компанией Integrated Comfort Incorporated из Уэст-Сакраменто, Калифорния.Западный центр эффективности охлаждения Калифорнийского университета в Дэвисе (в Дэвисе, Калифорния) в настоящее время имеет финансируемый контракт на НИОКР, который будет способствовать дальнейшей оптимизации конструкции GeoHelix. На веб-сайте CaliforniaGeo также есть дополнительная информация о Parkview Place на отдельной странице.
Противодействуя ограниченным подземным пластам, которые могут быть пробурены таким образом, существуют компенсирующие преимущества, такие как широко доступные мини-экскаваторы и обычные экскаваторы с обратной лопатой, которые можно заказать для обслуживания проектов без использования традиционных буровых установок.Эксплуатация и установка оборудования могут выполняться более разнообразными строительными работами, что способствует меньшим задержкам и меньшим затратам. Эти фотографии любезно предоставлены компанией Integrated Comfort Inc.
. Жидкость (и теплообмен под водой)В этом случае использование термина «контур заземления» немного неверно, но теплообмен между двумя погруженными жидкостями, разделенными проводящей трубой, даже лучше, чем под землей.Это потому, что плотность среды увеличивается, когда вы переходите от воздуха к грязи, жидкости и, наконец, к твердой породе. Все дело в повышенной плотности (теплоемкости) для улучшения теплопроводности. Но в случае с жидкостями есть дополнительное преимущество. Вода является хорошей проводящей средой, но она также является конвективной. Это означает th
при отводе тепла от или обратно в
Сборные Slinkies® разворачиваются и прикрепляются к плотам. Жатки вдоль плота не нужны. Бесплатное воздушное соединение
вода смешивается сама с собой конвективно вовлекает воду, которая еще не соприкасалась с вашим контуром или теплообменной пластиной. Чем больше разница температур, тем выше скорость теплообмена между содержимым петлевой трубы и водным объектом. Целые бухты петлевой трубы с предварительно вставленными прокладками для улучшения контакта могут быть помещены на плоты связками. Кроме того, петлевые трубы могут быть сконфигурированы как Slinkies® и прикреплены к конструкциям плота.В обоих случаях они нуждаются в позиционировании при нейтральной плавучести и будут опускаться на дно пруда или озера при заполнении водой.
Еще один плот Slinky®, готовый к спуску и разнесению. Предоставлено воздушным соединением.
Расстояние между затонувшим плотом от дна пруда будет удерживать грязь и мусор от петель, позволяя им лучше взаимодействовать с водной средой. Земля на дне пруда помогает стабилизировать температуру воды в пруду.В верхней части Среднего Запада это важное соображение, особенно потому, что поверхность небольших прудов или озер покрывается полезным слоем изолирующего льда в очень холодную погоду.
Перед погружением 20-тонному GHEX необходима гребная лодка для маневрирования. Предоставлено, Air Connection, Санта-Роза, Калифорния.
Тарелки Slim Jim® для озера
Новейшим членом семейства подводных теплопроводных петель является твердый металлический пластинчатый теплообменник, в сотовые конструкции которого вода подается внутри между двумя металлическими пластинами для передачи тепла.Эти плиты использовались в озерах, больших декоративных прудах для многоквартирных домов GHP, а также в оживленных озерах и гаванях. Когда озеро недостаточно глубокое или может возникнуть проблема зацепления коллекторов якорными тросами, рыболовными снастями или другими тросами, плиты подвешивают непосредственно под мостками дока, где они более безопасны. В гаванях с морской водой обычно пластины из нержавеющей стали заменяются титановыми, поскольку их металлическая структура не подвержена коррозии или морской жизни. Когда водоемы меньше и способность теплопередачи может быть менее определена, такие водоемы могут включать в себя центральные фонтаны, которые могут значительно охладить водоем.
Вид сбоку на дисплей Slim Jim®.
Поперечный разрез Slim Jim®, показывающий водные каналы контура заземления.
Плот единиц Slim Jim® грузоподъемностью 40 тонн опускается и при затоплении будет опираться на распорные салазки. Предоставлено AWEB Supply.
Типы и основные сведения о наземных теплообменниках — Департамент энергетики
Основы геотермального теплового насоса
Геотермальные тепловые насосы (GHP), иногда называемые GeoExchange, земные, наземные или водные тепловые насосы, используются с конца 1940-х годов.В качестве обменной среды они используют постоянную температуру земли, а не температуру наружного воздуха. Это позволяет системе достигать довольно высокого КПД (от 300% до 600% ) в самые холодные зимние ночи по сравнению с 175–250% для тепловых насосов с воздушным источником в прохладные дни.
Хотя во многих частях страны наблюдаются сезонные экстремальные температуры — от палящей жары летом до минусовых морозов зимой — в нескольких футах ниже поверхности земли температура земли остается относительно постоянной.В зависимости от широты температура земли колеблется от 45 ° F (7 ° C) до 75 ° F (21 ° C). Как и в пещере, эта температура земли теплее воздуха над ней зимой и прохладнее воздуха летом. GHP использует это преимущество, обмениваясь теплом с землей через наземный теплообменник.
Как и любой тепловой насос, геотермальные тепловые насосы и тепловые насосы с водным источником могут нагревать, охлаждать и, если таковые имеются, снабжать дом горячей водой. Некоторые модели геотермальных систем доступны с двухскоростными компрессорами и регулируемыми вентиляторами для большего комфорта и экономии энергии.По сравнению с воздушными тепловыми насосами они тише, служат дольше, не требуют особого обслуживания и не зависят от температуры наружного воздуха.
Несмотря на то, что стоимость установки геотермальной системы может в несколько раз превышать стоимость установки с воздушным источником той же мощности нагрева и охлаждения, дополнительные затраты окупаются за счет экономии энергии через 5–10 лет. Срок службы системы оценивается в 25 лет для внутренних компонентов и более 50 лет для контура заземления. Ежегодно в США устанавливается около 50 000 геотермальных тепловых насосов.
Существует четыре основных типа систем контура заземления. Три из них — горизонтальный, вертикальный и пруд / озеро — представляют собой замкнутые системы. Четвертый тип системы — это вариант без обратной связи. Какой из них лучше всего зависит от климата, почвенных условий, доступной земли и местных затрат на установку на участке. Все эти подходы можно использовать для жилых и коммерческих зданий.
Источник: Министерство энергетики США, Управление энергоэффективности и возобновляемых источников энергии Основные сведения о геотермальных тепловых насосах
Типы наземных теплообменников Системы с замкнутым контуром
Большинство геотермальных тепловых насосов с замкнутым контуром перекачивают раствор антифриза через замкнутый контур, обычно сделанный из пластиковых трубок, который закапывают в землю или погружают в воду.Теплообменник передает тепло между хладагентом в тепловом насосе и раствором антифриза в замкнутом контуре. Петля может быть горизонтальной, вертикальной или пруд / озеро.
Один из вариантов этого подхода, называемый прямым обменом, не использует теплообменник, а вместо этого перекачивает хладагент по медным трубам, закопанным в землю в горизонтальной или вертикальной конфигурации. Для систем прямого обмена требуется компрессор большего размера, и они лучше всего работают на влажных почвах (иногда требуется дополнительное орошение для поддержания влажности почвы), но вам следует избегать установки на почвах, вызывающих коррозию медных труб.Поскольку в этих системах хладагент циркулирует по земле, местные экологические нормы могут запрещать их использование в некоторых местах.
Горизонт al
Этот тип установки обычно наиболее рентабелен для жилых помещений, особенно для нового строительства, где имеется достаточно земли. Требуются траншеи глубиной не менее четырех футов. В наиболее распространенных схемах используются либо две трубы, одна заглубленная на глубине шести футов, а другая — на четыре фута, либо две трубы, размещенные бок о бок на высоте пяти футов в земле в траншее шириной два фута.Метод кольцевания трубы Slinky ™ позволяет размещать больше трубы в более короткой траншее, что сокращает затраты на установку и делает возможной горизонтальную установку в областях, которые не были бы при обычных горизонтальных применениях.
На иллюстрации горизонтальной замкнутой системы показаны трубы, выходящие из дома и входящие в землю, а затем разветвляющиеся на три ряда в земле, причем каждый ряд состоит из шести перекрывающихся вертикальных петель труб. В конце рядов трубы направляются обратно к началу рядов и объединяются в одну трубу, идущую обратно в дом.
Вертикальный
В крупных коммерческих зданиях и школах часто используются вертикальные системы, поскольку площадь земли, необходимая для горизонтальных петель, будет чрезмерно высокой. Вертикальные петли также используются там, где почва слишком мелкая для рытья траншей, и они сводят к минимуму нарушение существующего ландшафта. Для вертикальной системы отверстия (приблизительно четыре дюйма в диаметре) просверливаются на расстоянии 20 футов друг от друга и от 100 до 400 футов глубиной. В эти отверстия входят две трубы, которые снизу соединяются U-образным изгибом, образуя петлю.Вертикальные контуры соединяются с горизонтальной трубой (т. Е. Коллектором), помещаются в траншеи и подключаются к тепловому насосу в здании. На иллюстрации вертикальной замкнутой системы показаны трубы, выходящие из здания и входящие в землю, а затем разветвляющиеся на четыре ряда в земле. В каждом ряду трубка остается горизонтальной, за исключением трех глубоких вертикальных петель. В конце ряда трубка возвращается в начало ряда и объединяется в одну трубку, которая возвращается к зданию.
Пруд / озеро с поверхностными водами
Если на участке есть соответствующий водоем, это может быть самый дешевый вариант. Труба подводящего трубопровода проложена под землей от здания к воде и свернута кольцами на глубине не менее восьми футов от поверхности, чтобы предотвратить замерзание. Змеевики следует размещать только в источнике воды, который соответствует минимальным критериям объема, глубины и качества. На иллюстрации замкнутой системы пруда или озера показаны трубы, выходящие из дома и входящие в землю, а затем выходящие к пруду или озеру.Трубка опускается глубоко в пруд или озеро, затем извивается по горизонтали семью большими перекрывающимися петлями, затем возвращается к краю воды, поднимается к поверхности и возвращается обратно в дом.
Система без обратной связи
В системах этого типа в качестве теплоносителя используется вода из скважин или поверхностных вод, которая циркулирует непосредственно через систему GHP. Как только вода циркулирует по системе, она возвращается в землю через колодец, колодец подпитки или поверхностный сток.Этот вариант, очевидно, практичен только при наличии достаточного количества относительно чистой воды и соблюдении всех местных норм и правил, касающихся сброса грунтовых вод. На иллюстрации разомкнутой системы показана труба, по которой вода выходит из дома в землю и проходит к колодцу, где она сбрасывается в грунтовые воды. Отдельная трубка в колодце на некотором расстоянии забирает воду из колодца и возвращает ее в дом.
Источник: Министерство энергетики США, Управление энергоэффективности и возобновляемых источников энергии Основные сведения о геотермальных тепловых насосах
Земляной теплообменник
Двумя основными компонентами геообменной системы являются:
- Земляной тепловой насос или геотермальный тепловой насос , который обеспечивает механический компонент системы ( Щелкните здесь, чтобы узнать больше о наземных тепловых насосах или , посетите наш ассортимент продукции ).
- Контур заземления или Теплообменник заземления обеспечивает пассивный компонент системы.
Наземный теплообменник — это компонент, который извлекает тепло из земли зимой или возвращает его в землю летом. Они классифицируются как замкнутые или открытые контуры в зависимости от того, как они используют воду, протекающую через систему. В некоторых случаях может быть соединен с обычными чиллерами / котлами в качестве гибридной системы.
Замкнутые контурыЗамкнутые контуры изготовлены из полиэтиленовых (ПЭ) труб и непрерывно циркулируют одну и ту же воду в течение многих десятилетий. Они могут иметь вертикальную (скважина) или горизонтальную (траншея) конфигурацию, а некоторые даже расположены в поверхностных водоемах, таких как плотины и гавани.
Жидкость контура просто циркулирует через контур заземления и возвращается в тепловой насос источника тепла. В соответствии с нулевым законом термодинамики жидкость контура и земля будут стремиться достичь теплового равновесия.
Таким образом, во время прохождения через землю жидкость контура уравновешивается со стабильными температурами земли либо за счет извлечения тепла из земли (зимой), либо за счет отвода тепла в землю (летом). Степень этого уравновешивания определяется временем пребывания в земле, разницей температур между жидкостью контура и землей и другими свойствами грунта, такими как теплопроводность и температуропроводность.
Некоторые важные замечания относительно систем с замкнутым контуром:
- Системы с замкнутым контуром следует устанавливать с использованием только трубы из полиэтилена высокой плотности или полибутилена.Их химический период полураспада составляет ~ 250 лет, они инертны по отношению к химическим веществам, обычно присутствующим в почве, и, как ожидается, при правильной установке они прослужат намного дольше, чем продолжительность жизни вашего дома. Нельзя использовать трубы из ПВХ или меди.
- Отрезки труб соединяются термической сваркой. Термическое плавление включает нагревание трубных соединений с последующим их сплавлением для образования соединения, более прочного, чем исходная труба. Этот метод создает безопасное соединение для защиты от утечки и загрязнения.
- Петля заземления не повлияет на ваш газон или ландшафт. Исследования доказали, что петли не оказывают вредного воздействия на траву, деревья или кустарники. Сначала будут временные оголенные участки, но их можно легко восстановить с помощью семян травы или дерна. Вертикальные петли занимают мало места и приводят к минимальному повреждению газона.
Горизонтальный наземный теплообменник
Горизонтальные замкнутые контуры устанавливаются, когда имеется достаточная земельная площадь и глубина почвы позволяет проводить выемку грунта на глубину приблизительно 1.5м.
Внутри траншеи может быть несколько труб, и общая длина траншеи зависит от нагрузки нагрева / охлаждения.
Вертикальный наземный теплообменник
Вертикальные замкнутые контуры устанавливаются, когда на суше или на мелководье не допускается установка горизонтального контура.
Скважины пробурены на глубину от 50 до 120 м. Глубина скважин, количество скважин и расстояние между ними зависят от нагрузки нагрева / охлаждения.
Теплообменник с замкнутым водяным контуром
Единственное, что может быть круче, чем обогрев / охлаждение вашего дома с земли, — это плотина , пруд или озеро . В плотине устанавливаются полиэтиленовые змеевики или пластинчатые теплообменники из нержавеющей стали, что обеспечивает низкую стоимость и высокую эффективность системы.
Для того, чтобы пруд считался подходящим, необходима минимальная глубина 1,8 метра на самом низком уровне в течение года.
Требуемая площадь поверхности зависит от отопительной и охлаждающей нагрузки в доме.
Открытые петлиОткрытые контуры используют грунтовые или поверхностные воды напрямую, пропускают их через теплообменник, а затем возвращают воду либо к ее источнику, либо к вторичному применению, например, для орошения, промышленной воды и т. Д. Источники открытого контура разнообразны и включают грунтовые воды, реки и т. Д. океаны, плотины и очищенные сточные воды.
Некоторые важные замечания, касающиеся систем с разомкнутым контуром:
- Потребность в воде для конкретной модели обычно выражается в литрах в секунду (л / с) и указывается в технических характеристиках устройства.Как правило, во время работы средняя система будет использовать 0,07 л / с на киловатт мощности. Однако точный необходимый объем воды зависит от размера устройства и технических характеристик производителя. Ваш подрядчик должен иметь возможность предоставить эту информацию.
- Комбинация колодца и насоса должна быть достаточно большой для подачи воды, необходимой тепловому насосу, в дополнение к вашим потребностям в воде для бытовых нужд. Возможно, вам потребуется увеличить напорный бак или изменить водопровод, чтобы обеспечить достаточное количество воды для теплового насоса.
- Существует несколько способов утилизации воды после того, как она прошла через тепловой насос:
- Метод открытого слива — самый простой и дешевый. Открытый сброс просто включает в себя сброс воды в ручей, реку, озеро, пруд, канаву или дренажную плитку (если это разрешено в вашем районе). Очевидно, что одна из этих альтернатив должна быть легкодоступной и способной принимать количество воды, используемой тепловым насосом, до того, как станет возможной открытая разгрузка.
- Второе средство отвода воды — обратный колодец.Возвратный колодец — это второй колодец, который возвращает воду в водоносный горизонт. Обратный колодец должен иметь достаточную емкость для удаления воды, прошедшей через тепловой насос. Новый возвратный колодец должен быть установлен квалифицированным бурильщиком. Точно так же профессионал должен проверить емкость существующей скважины, прежде чем она будет использована в качестве прибыли.
- Установка полностью или частично может регулироваться местными правилами и требованиями лицензирования. Узнайте у местных властей, действуют ли какие-либо ограничения в вашем районе.
- Система с разомкнутым контуром не загрязняет окружающую среду. Тепловой насос просто отводит или нагревает воду. Никаких загрязняющих веществ не добавлено. Единственное изменение воды, возвращаемой в окружающую среду, — это небольшое повышение или понижение температуры. Системы спроектированы таким образом, чтобы это не приводило к нагреванию или охлаждению водоносного горизонта.
- Вы не можете утилизировать тепло из свалки вашей септической системы. В экстремальных условиях контур заземления может достигать температуры ниже нуля, что может привести к замерзанию септической системы.Такое использование запрещено во многих областях.
- Плохое качество воды может вызвать серьезные проблемы в системах с открытым контуром. Перед установкой теплового насоса необходимо проверить воду на жесткость, кислотность и содержание железа. Ваш подрядчик или производитель оборудования может сказать вам, какой уровень воды приемлем. Минеральные отложения могут накапливаться внутри теплообменника теплового насоса. Иногда для удаления отложений достаточно периодической очистки слабым раствором кислоты. Примеси, особенно железо, в конечном итоге могут засорить возвратный колодец.Если в вашей воде высокое содержание железа, убедитесь, что сточная вода не аэрируется, прежде чем ее закачать в обратный колодец.
Открытый теплообменник грунтовых вод
В системе с открытым контуром используются грунтовые воды из обычного колодца или водозаборной скважины. Грунтовые воды перекачиваются в тепловой насос, где отбирается тепло, а вода утилизируется экологически безопасным способом.
Поскольку температура грунтовых вод относительно постоянна круглый год, это отличный источник тепла.
Проектирование теплообменной системы земля – воздух | Геотермальная энергия
Если размеры системы EAHE известны, расчет скорости теплопередачи может быть выполнен либо с использованием метода логарифмической разницы температур (LMTD), либо метода ε — количества единиц передачи (NTU). В данной работе используется метод ε –NTU. Температура воздуха на выходе определялась с использованием эффективности ЭПГО ( ε ), которая является функцией количества единиц переноса (NTU).
Эффективность теплообменника и NTU
В теплообменнике земля – воздух для передачи тепла используется только воздух. Тепло выделяется или поглощается воздушными потоками через стенки трубы за счет конвекции и от стенок трубы к окружающей почве и наоборот за счет теплопроводности. Если предполагается, что контакт стенки трубы с землей идеальный, а проводимость почвы считается очень высокой по сравнению с поверхностным сопротивлением, то температуру стенки внутри трубы можно считать постоянной.Выражение NTU зависит от различных типов конфигураций потока в системе EAHE. В этой статье использовалось соотношение для испарителя или конденсатора (с постоянной температурой с одной стороны, т. Е. Стенки).
Общее количество тепла, передаваемого воздуху при прохождении через заглубленную трубу, определяется по формуле:
$$ {Q} _ {\ mathrm {h}} = \ dot {m} {C} _ {\ mathrm {p} } \ left ({T} _ {\ mathrm {out}} — {T} _ {\ mathrm {in}} \ right) $$
(3)
, где ṁ — массовый расход воздуха (кг / с), C p — удельная теплоемкость воздуха (Дж / кг-К), T out — температура воздуха на выходе из трубы EAHE (° C), а T в — температура воздуха на входе в трубку EAHE (° C). {- \ left (\ raisebox {1ex} {$ hA $} \! \ Left / \ ! \ raisebox {-1ex} {$ \ dot {m} {C} _ {\ mathrm {p}} $} \ right.{- \ mathrm {N} \ mathrm {T} \ mathrm {U}} $$
(9)
Эффективность теплообменника земля – воздух определяется безразмерной группой NTU. Изменение эффективности теплообменника земля-воздух в зависимости от количества передаточных единиц показано на рис. 2. Было замечено, что с увеличением значения NTU эффективность также увеличивается, но кривая быстро сглаживается. Относительный выигрыш в эффективности очень невелик после того, как значение NTU становится больше 3.Есть несколько способов построить теплообменник земля-воздух для получения заданного NTU и, следовательно, желаемой эффективности. Аналогичные результаты наблюдали Де Паэпе и Янссенс (2003).
Рис. 2Зависимость эффективности теплообменника Земля – воздух от количества передаточных единиц
Влияние проектных параметров на NTU может быть изучено с точки зрения теплопередачи и падения давления. NTU состоит из трех параметров, а именно, коэффициента конвективной теплопередачи ( h ), площади внутренней поверхности трубы ( A ) и массового расхода воздуха ( ṁ ), которые могут варьироваться.
Площадь внутренней поверхности трубы зависит от диаметра D и длины трубы EAHE L , оба:
Коэффициент конвективной теплопередачи внутри трубы определяется как:
$$ h = \ frac {N _ {\ mathrm {u}} K} {D} $$
(11)
, где K — коэффициент теплопроводности (Вт / м-К).
Чжан (2009) представил в своей докторской диссертации, что в традиционных системах с теплообменниками земля-воздух (ETAHE) типично наличие подземных каналов с 10 см
$$ {D} _ {\ mathrm {h}} = \ frac {4A} {P} $$
(12)
, где A, — площадь поперечного сечения, а P — смоченный периметр поперечного сечения.
Гидравлический диаметр круглой трубы — это просто диаметр трубы.Поэтому разумно предположить, что воздушные потоки в основном полностью развиты в ЭПТО таких размеров, и адаптировать соответствующие эмпирические корреляции для расчета коэффициента конвективной теплопередачи (КТТ). Чтобы проверить это предположение, восемь чисел Нуссельта ( N и ) корреляции, использованные в других исследованиях моделирования ETAHE (Arzano and Goswami 1997; Bojic et al. 1997, охлаждение и нагревание; Singh 1994; De Paepe and Janssens 2003; Hollmuller 2003; Sodha et al.1994; Benkert and Heidt 1997). Поскольку все корреляции были получены для полностью развитого турбулентного потока воздуха, в идеале ожидается, что они дадут аналогичные значения для тех же рабочих условий. Вариация числа Нуссельта по отношению к числу Рейнольдса для типичной конструкции обычного ETAHE была рассчитана с использованием всех восьми корреляций для расчета CHTC, и наблюдались очень большие различия между результатами восьми корреляций. Это может быть связано с различными экспериментальными условиями, которые были приняты для получения корреляций, например, шероховатость поверхности экспериментальных каналов.Большие расхождения указывают на то, что необходимо выбрать подходящую корреляцию, если какая-либо из существующих моделей используется для моделирования производительности системы EAHE.
Система EAHE, анализируемая в этой статье, состоит из цилиндрических труб с внутренним диаметром 0,1016 м, изготовленных из ПВХ, с общей длиной заглубления 19,228 м. Предполагая, что внутренняя поверхность труб из ПВХ, используемых в системе EAHE, гладкая, N Корреляции и , данные De and Janssens (2003), могут использоваться для моделирования производительности системы. {- 2} $$
(14)
Если 2300 ≤ R e <5 × 10 6 и 0.5 <-P r <10 6
Число Рейнольдса связано со средней скоростью и диаметром воздуха:
$$ {R} _ {\ mathrm {e}} = \ frac {\ rho {v} _ {\ mathrm {a}} D} {\ mu} $$
(15)
, где v a — скорость воздуха в трубе (м / с), D — диаметр трубы (м) и μ — динамическая вязкость воздуха (кг / м-с).
Число Прандтля определяется по формуле:
$$ {P} _r = \ frac {\ mu {c} _ {\ mathrm {p}}} {K} $$
(16)
где c p — удельная теплоемкость воздуха (Дж / кг-К)
Консультации — Специалист по спецификациям | Шесть этапов проектирования грунтовых теплообменников
Цели обучения:
- Разберитесь в основных концепциях и оборудовании системы геотермального теплового насоса.
- Обзор ключевых элементов конструкции теплового насоса с заземлением (GCHP).
- Понимать требования к обслуживанию и эксплуатации GCHP и учитывать их в проекте.
Термин «грунтовый тепловой насос» (GSHP) относится к семейству тепловых насосных систем, в которых земля, грунтовые воды или поверхностные воды используются в качестве теплоотвода и источника для кондиционирования зданий. Эта статья посвящена системам с заземленным тепловым насосом (GCHP), которые относятся к семейству GSHP. Система GCHP представляет собой реверсивный тепловой насос с парокомпрессионным циклом, подключенный к заземляющему теплообменнику с замкнутым контуром.В системах с заземлением обычно используются тепловые насосы типа вода-воздух или тепловые насосы вода-вода. Обычные гидравлические насосы используются для циркуляции воды или смеси воды с антифризом между системой трубопроводов здания и грунтовым теплообменником.
GCHP обычно подключаются либо к вертикальному теплообменнику грунта (GHEX), либо к горизонтальному GHEX. Вертикальные системы GHEX состоят из двух труб из полиэтилена высокой плотности (HDPE) с малым диаметром (от 0,75 до 1,5 дюйма), вставленных в трубы диаметром от 4 до 6 дюймов.-диаметр вертикальной скважины, заполненной термоупрочненным раствором. Глубина скважины обычно составляет от 100 до 400 футов, в зависимости от почвенных условий и бурового оборудования. Вертикальные системы GHEX обеспечивают высокую производительность системы за счет использования преимуществ относительно постоянной температуры и термических свойств грунта, характерных для глубоких слоев земли. Температура грунта почти равна средней годовой температуре воздуха на глубине 12 футов и более, обеспечивая источник тепла и поглотитель тепла с постоянной температурой.
Горизонтальные системы GHEX имеют либо неглубокую траншею, обычно глубиной от 4 до 8 футов, либо бурят горизонтально.Траншейные системы могут содержать несколько различных схем трубопроводов, таких как однотрубные, многотрубные (2-, 4- или 6-трубные) или спирально-трубные. Системы с горизонтальным бурением пробуриваются на глубине более 12 футов и заливаются раствором аналогично вертикальным GHEX. Из-за небольшой глубины горизонтальные системы GHEX подвержены сезонным колебаниям температуры грунта и различным тепловым свойствам грунта, что приводит к снижению производительности системы. В таблице 1 приводится сводка преимуществ и недостатков, которые следует учитывать при выборе вертикального или горизонтального GHEX.
Выбор между вертикальной или горизонтальной системой GHEX — многогранный процесс. Следует учитывать множество факторов:
- Наличие земли.
- Требуемая емкость системы.
- Затраты на земляные работы.
- Затраты на бурение.
- Затраты на оплату труда.
Для систем с вертикальным бурением обычно требуется меньшая площадь земли, чем для горизонтальных систем. Доступная земельная площадь на строительной площадке позволит проектировщику сделать первоначальное определение между двумя системами грунтовых теплообменников.Для большинства проектов выбор между вертикальным или горизонтальным GHEX основан на экономических соображениях. Основываясь на сочетании и оценке вышеуказанных параметров, экономика месторождения обычно показывает, что горизонтальные системы экономически эффективны для систем с требуемой грузоподъемностью менее 15 тонн. Горизонтальные системы более 15 тонн часто являются дорогостоящими из-за затрат на земляные работы и засыпку. Вертикальные системы обычно используются для систем весом более 15 тонн.
Проектирование систем GCHP может включать несколько итераций и вариантов проектирования в зависимости от информации владельца, теплопроводности грунта, кодов, бюджетных ограничений и программы оценки энергопотребления (U.S. Совет по экологическому строительству LEED или Energy Star). Имеющиеся в продаже программы проектирования грунтовых теплообменников, такие как GLHEPRO, GSHPCalc и LoopLink PRO, были разработаны для помощи при проектировании грунтовых теплообменников и позволяют проектировщикам оценивать альтернативные конструкции. Эти программы специально запрограммированы для анализа влияния расстояния между скважинами, несбалансированных расчетных нагрузок и свойств грунта для определения необходимой длины контура грунтового теплообменника. Используйте эти шесть стратегий проектирования при проектировании грунтовых теплообменников.
1. Определение свойств грунта
Состав почвы, ненарушенная температура почвы, теплопроводность и допустимая глубина бурения полностью не зависят от проектировщика. Эти свойства оцениваются с использованием одного или нескольких из трех доступных методов. Первый метод заключается в оценке информации на основе «местной информации» и «наилучшего предположения» о составе почвы. По понятным причинам это наименее точный метод и используется нечасто.Второй доступный метод — получение информации о почвообразовании из местных журналов бурения, обсуждений с местными буровыми подрядчиками или геологических отчетов; Затем инженер оценивает свойства почвы по таблицам термических свойств почвы, используя процесс средневзвешенного значения. Этот метод обеспечивает более разумную оценку тепловых свойств почвы и обычно используется для горизонтальных GHEX.
Самый лучший и самый точный метод оценки тепловых свойств грунта — это выполнить тест на теплопроводность пласта (FTC).Вертикальные GHEX требуют более точной оценки тепловых свойств грунта на площадке из-за затрат на установку и системных эффектов завышения или занижения GHEX. Стандарты 2016 Международной ассоциации наземных тепловых насосов и Справочник ASHRAE 2015 — приложения HVAC содержат рекомендуемые процедуры испытаний и спецификации FTC.
Короче говоря, пробуренная скважина пробуривается до расчетной проектной глубины, и журнал бурения используется для записи типов грунта и горных пород, встречающихся в процессе бурения.Устанавливается вертикальная петля с U-образным изгибом и заливается раствором. Испытательный контур подключается к оборудованию, предназначенному для подачи контролируемого количества тепла в контур, а затем температуры регистрируются в течение 36-48 часов. Собранные данные используются для определения ненарушенной температуры почвы, средней теплопроводности и средней температуропроводности. Тестовый цикл закрывается и позже включается в GHEX. Информация о грунте вводится в программный пакет для проектирования теплообменника грунта для определения необходимой длины контура.
Дополнительной функцией к проведению испытаний FTC является создание отчетов по каротажу бурения. Отчет FTC и журналы бурения часто включаются в строительную документацию, чтобы предоставить подрядчикам важную информацию об усилиях, которые потребуются для установки формации GHEX. Эта информация может уменьшить неопределенность предложения и снизить вертикальную цену предложения GHEX.
2. Влияние теплопроводности раствора
Электропроводность раствора является основным определяющим фактором при определении необходимой длины вертикального ствола скважины.Теплопроводность грунта и U-образной трубы является предопределенными параметрами и не зависит от проектировщика. Однако проектировщик имеет прямой контроль над характеристиками теплопроводности раствора. Затирка — это путь или преграда для передачи тепла между трубой и землей. Поэтому имеет смысл увеличить теплопроводность (снизить тепловое сопротивление) насколько это экономически целесообразно.
По мере увеличения теплопроводности раствора общее тепловое сопротивление грунтового теплообменника снижается.В результате GHEX может доставлять или отводить такое же количество тепла с помощью более коротких скважин или меньшего количества скважин. Тем не менее, компромисс между повышенной проводимостью раствора и уменьшенной проектной длиной ствола скважины следует закону убывающей отдачи. В конце концов, расчетная длина скважины или количество скважин будут определяться теплопроводностью грунта, и увеличение теплопроводности раствора не приведет к уменьшению длины скважины или количества скважин.
ПроектировщикамGHEX необходимо будет выполнить экономический анализ, чтобы определить, какая теплопроводность раствора приведет к оптимальным характеристикам с наилучшим соотношением цены и качества с учетом местных условий.Как правило, анализ теплопроводности раствора начинается с удельной электропроводности от 0,88 до 1,00 БТЕ / час · фут · ° F. Многие производители термоусиленных растворов разработали калькуляторы объема раствора, чтобы помочь проектировщикам в их экономических расчетах.
3. Стратегии использования наружного воздуха
Часто система GCHP рассчитана на общую пиковую нагрузку HVAC здания. Этот подход следует тщательно рассмотреть, если доступная земля ограничена или бюджет вызывает беспокойство.Пиковые нагрузки наружного воздуха (OA) могут составлять значительную часть нагрузок кондиционирования здания. Нагрузки OA рассчитываются при максимальной загрузке — нагрузке, которую здание испытывает редко. Эти высокие случайные нагрузки могут привести к негабаритной и неэффективной системе теплового насоса.
Превышение мощности тепловых насосов может вызвать короткие циклы, которые, в свою очередь, могут вызвать преждевременный отказ оборудования, проблемы с контролем влажности и проблемы с контролем температуры. Кроме того, установка наземного теплообменника, рассчитанного на общую пиковую нагрузку, может быть более затратной по проекту, чем обработка ОУ отдельной системой.Как правило, требования к высокой пропускной способности и малое время работы приводят к менее чем желательной окупаемости для систем GCHP.
Системы с высокими нагрузками кондиционирования OA обычно проектируются со специальными системами наружного воздуха (DOAS), системами вентиляции с рекуперацией энергии (ERV) или системами вентиляции с рекуперацией тепла (HRV), в зависимости от размера здания и требований к OA. Как правило, эти системы обработки OA полностью отделены от грунтового теплообменника, который имеет свои собственные системы нагрева и охлаждения, поэтому нагрузки OA не влияют на размер и производительность грунтового теплообменника.Однако, когда нагрузка OA относительно мала и постоянна, нагрузка свежего воздуха может быть добавлена к системе теплового насоса с источником тепла от земли. Некоторые производители тепловых насосов предлагают тепловые насосы со встроенными опциями ERV или HRV.
Альтернативным вариантом установки отдельной системы отопления и охлаждения для DOAS может быть установка теплового насоса вода-вода (WWHP) для обслуживания DOAS. Этот подход потребует анализа, чтобы определить, обеспечит ли он приемлемую производительность и экономическую выгоду по сравнению с чиллерами с воздушным охлаждением и водогрейными котлами, которые обслуживают DOAS.Альтернатива WWHP должна по-прежнему включать процесс рекуперации энергии, чтобы предварительно подготовить OA к снижению нагрузки на систему GCHP.
4. Минимизация энергии насоса
Системные насосы часто являются одним из наиболее энергоемких компонентов в системах ГТЭЦ. Уменьшение или минимизация энергии системного насоса начинается на ранней стадии проектирования за счет минимизации расхода в системе и потерь напора.
Во-первых, давайте рассмотрим способ уменьшения скорости потока в системе.Расход насоса ГТЭЦ обычно рассчитан на 3 галлона / тонну установленной мощности. Выбор скорости потока для установленной мощности приводит к увеличению потока, чем необходимо, и увеличивает стоимость системы. В качестве альтернативы рассмотрите возможность проектирования системы с расходом от 2,5 до 3,0 галлонов в минуту / т пиковой нагрузки блока. Определение расхода системы для пиковой нагрузки блока обеспечивает поток, достаточный для удовлетворения нагрузки на отопление и охлаждение, и снижает системные затраты. Уменьшите потерю напора в гидравлической системе, подобрав трубопроводную систему таким образом, чтобы коэффициент потерь на трение не превышал 4.0 футов напора на 100 футов трубопровода. Кроме того, выберите тепловые насосы с потерями в водяном змеевике менее 15 футов напора и выберите регулирующие и балансировочные клапаны с потерями менее 5 футов напора.
Для системGCHP может потребоваться водный раствор антифриза при проектировании для северного климата из-за пониженных температур контура. Расчетный расчет покажет, упадет ли минимальная температура теплоносителя ниже точки замерзания. Если для системы требуется раствор антифриза, используйте самую низкую необходимую концентрацию.Антифриз увеличивает плотность перекачиваемого раствора. Это, в свою очередь, увеличивает потери на трение и требует большего насоса для циркуляции жидкости. Кроме того, антифриз снижает способность жидкости передавать тепло, что влияет на GHEX и размер теплового насоса и, как правило, требует расширения систем для компенсации потери производительности.
Насосыследует выбирать так, чтобы они работали как можно ближе к точке максимальной эффективности. Управление насосом также может использоваться для снижения энергопотребления системного насоса.В меньших по размеру системах GCHP обычно используется простое двухпозиционное управление насосом. Однако в более крупных системах используются регуляторы переменного расхода с частотно-регулируемыми приводами (ЧРП) и регулирующие клапаны для уменьшения расхода в соответствии с требованиями системы. Проектировщику следует учитывать, что стандарт ASHRAE 90.1: Энергетический стандарт для зданий, кроме малоэтажных жилых домов, требует наличия частотно-регулируемого привода для гидравлических систем с мощностью насоса, превышающей 10 л.с., и требует регулирующих клапанов и регулируемого потока.
5. Удаление воздуха и грязи
Грязь, песок, стружка труб, воздух и другой строительный мусор необходимо смыть с GHEX и внутренних трубопроводов.Эти загрязнения должны быть удалены до запуска системы и полной работы системы, так как они могут повредить клапаны, насосы и змеевики и потенциально заблокировать поток жидкости в GHEX или системе внутренних трубопроводов. В качестве превентивной меры проектировщики должны указать или указать в примечаниях к чертежам, что все концы труб должны быть временно закрыты крышками сразу после установки и сразу после испытания давлением отдельного контура, чтобы свести к минимуму загрязнение системы. Помните, что заблокированный цикл GHEX означает потерю емкости.
Укажите использование блока насоса для продувки / промывки для выполнения начальной промывки системы при минимальной скорости потока от 2 до 3 футов в минуту. Этот метод позволит удалить из системы большую часть мусора и большие воздушные карманы. Затем следует «стравить» оставшийся воздух из системы через вентиляционные отверстия (вручную и / или автоматически). Проектировщик должен предусмотреть достаточное количество клапанов на соединениях коллектора системы, где соединяются коллекторы подачи и возврата, а также GHEX и внутренняя труба. Правильная конструкция и расположение системного клапана позволит провести раздельную промывку системы GHEX и внутренних трубопроводов перед промывкой всей системы.
Вышеуказанные методы и процедуры позволят удалить мусор и свободный воздух из систем на этапе строительства или запуска и ввода в эксплуатацию (если применимо), но не помогут во время эксплуатации и после технического обслуживания или капитального ремонта. Проектировщику следует рассмотреть возможность включения в гидравлическую систему высокоэффективного коалесцирующего сепаратора воздуха и грязи с пониженной скоростью. Коалесцирующие сепараторы воздуха и грязи имеют внутреннюю среду для снижения скорости жидкости и разрушения поверхностного натяжения, что позволяет удалить увлеченный воздух и взвешенные частицы.Удаление воздуха и грязи из системы может снизить затраты на техническое обслуживание, снизить эксплуатационные расходы, повысить эффективность системы, увеличить теплопередачу и, что наиболее важно, продлить срок службы системы.
6. Повышение ремонтопригодности
- Наконец, как и в любом другом проекте, система должна быть обслуживаемой. Долгосрочная работа системы часто напрямую связана с техническим обслуживанием. Если система слишком сложна или трудна в обслуживании, обслуживающий персонал может игнорировать элементы обслуживания или отключать устройства управления.Рассмотрите возможность координации и включения следующих элементов по мере необходимости для повышения ремонтопригодности системы:
- Расположите оборудование теплового насоса для «легкого» обслуживания, например, на уровне земли или мезонина. Обычно, если оборудование доступно, его обслуживают.
- По возможности выбирайте блоки с тепловым насосом, в которых используются воздушные фильтры стандартных размеров. Фильтры стандартного размера — это стандартные изделия, которые обычно стоят меньше, чем фильтры специального заказа.
- Включите порты давления / температуры (также известные как порты P / T или порты Пита) на каждом соединении теплового насоса и на каждом подаче и возврате на коллекторе GHEX.Порты P / T должны быть расположены как можно ближе к тепловым насосам, чтобы свести к минимуму влияние притока или потери тепла для показаний температуры и минимизировать потерю давления при снятии показаний давления. Сведение к минимуму этих потерь или прибылей позволит повысить точность при поиске и устранении неисправностей или проведении проверки производительности системы. Системы
- GCHP — это простые системы, для эффективной работы которых обычно не требуются сложные системы прямого цифрового управления. Довольно часто программируемый термостат обеспечивает достаточный контроль.Они недорогие, легкодоступные и в большинстве из них есть 7-дневные функции программирования, позволяющие избежать неудач. Большинство владельцев зданий и обслуживающий персонал знают, как управлять программируемым термостатом.
Терминология и ресурсы
Двумя основными авторитетными организациями в области проектирования тепловых насосов с грунтовым источником являются Международная ассоциация наземных тепловых насосов (IGSHPA) и ASHRAE. Каждая из этих организаций разработала материалы руководства по проектированию, чтобы помочь дизайнерам и инженерам понять и спроектировать системы наземных тепловых насосов.ASHRAE недавно выпустила пересмотренное издание своего руководства по проектированию, Геотермальное отопление и охлаждение: проектирование систем тепловых насосов с наземным источником, которое включает в себя новые методы исследований, проектирования и установки с момента первой публикации в 1997 году. IGSHPA опубликовала множество руководств по темам, в том числе проектирование, монтаж и классификации грунтов и горных пород.
Гейл Дэвис — руководитель проекта и старший инженер-механик в Stanley Consultants. Он имеет опыт управления проектами, проектирования и ввода в эксплуатацию механических систем для застроенной среды и центральных предприятий.Он является членом ASHRAE и IGSHPA, а также сертифицированным проектировщиком геообменников.
(PDF) Типы геообменных систем для подземного отбора тепла.
19 Типы геообменных систем для подземного отбора тепла
Джамбастиани, БМС, Тинти, Ф., Мендринос, Д. и Мастрочикко, М. 2013. Энергия
Стратегии эффективности для крупномасштабного внедрения геотермальной энергии в
жилые и производственные здания: проект GEO.POWER.Энергетическая политика, 65:
315–322.
Hagedorn, A. 2011. Способ установки радиального геотермального энергетического зонда — патент США
. Tracto-Technik GmbH & Co.KG, Леннештадт (Германия).
Ханлейн, С., Байер, П., Фергюсон, К. и Блюм, П. 2013. Устойчивость и политика
термического использования неглубокой геотермальной энергии. Энергетическая политика, 59: 914–925.
Проект Heat4U, 2012 г. (A.A.V.V.). Решения с газовыми абсорбционными тепловыми насосами для существующих
жилых домов.7-я рамочная программа исследований и технологического развития
; п. 76.
Ким В., Чой Дж. И Чо Х. 2013. Анализ производительности гибридной солнечно-геотермальной системы с тепловым насосом CO2
для отопления жилых помещений. Возобновляемая энергия, 50: 596–604.
Круз, Х. и Руссман, Х. 2010. Состояние разработок и исследований земли с CO2
тепловые трубы для геотермальных тепловых насосов. Международная конференция по высокопроизводительным зданиям
. Университет Пердью, США.
Лалуи, Л. и Ди Донна, А. 2013. Энергетические геоструктуры: инновации в области подземных работ
Инжиниринг. Серия «Гражданское строительство и геомеханика». Wiley ed., P. 320.
Магранер, Т., Монтеро, А., Куилис, С. и Урчуэгуиа, Дж. Ф. 2010, Сравнение конструкции
и фактических энергетических характеристик системы теплового насоса
, соединенной с землей, ОВК, в режиме охлаждения и обогрева. Энергия и строительство, 42: 1394–1401.
Ochsner, K. 2008. Тепловая труба из углекислого газа в сочетании с геотермальным источником тепла.
насос (GSHP).Прикладная теплотехника, 28: 2077–2082.
Пахуд, Д. 1998. ПИЛЕСИМ: Инструмент моделирования свайных систем теплообменников, Руководство пользователя.
Лаборатория энергетических систем, Швейцарский федеральный технологический институт в Лозанне,
Швейцария.
Рэй Д., МакГлен Р. и Кью П. 2013. Тепловые трубы — теория, дизайн и приложения. 6-е издание
, Баттерворт Хайнеманн, стр. 288.
Платформа RHC-ET, 2011. (A.A.V.V.). Программа стратегических исследований и инноваций для
Возобновляемое отопление и охлаждение — Европейская технологическая платформа по возобновляемым источникам тепла
и охлаждению.7-я рамочная программа исследований и технологического развития,
стр. 102.
Риберер Р., Миттермайр К. и Халозан Х. 2002. Тепловая труба на CO2 для тепловых насосов.
Протоколы 5-й конференции IIR-Gustav Lorentzen по природным рабочим жидкостям, Китай,
стр. 200–207.
Рыбач Л. и Саннер Б. 2000. Наземные тепловые насосы, европейский опыт
. Geo-Heat Center Quart Bull, 21/1: 16–26,
Self, S.J., Reddy, B.V. и Rosen, M.A, 2013. Геотермальные тепловые насосы: Обзор Status
и сравнение с другими вариантами отопления. Прикладная энергия, 101: 341–348.
Витте, Х. 2012. Геотермальный теплообменник GEOTHEX, характеристика новой конструкции высокоэффективного теплообменника
. Труды Innostock 2012: 12-я Международная конференция
по хранению энергии, стр. 10.
Zarrella, A. и De Carli, M. 2013. Анализ теплопередачи теплообменников в короткой спиральной скважине.
.Прикладная энергия, 102: 1477–1491.
Интернет-источники
BetaTherm: http://ost.hu/; http://www.betatherm.de/
geoKOAX: http://www.geokoax.com/
Проект GEO.POWER: http://geopower-i4c.eu/
Geothex: http: // www .geothex.nl / en /
HakaGerodur: http://www.hakagerodur.ch/
Heat4U: www.heat4U.com
Часто задаваемые вопросы о геотермальном контуре заземления — Dandelion Energy
Что такое контур заземления?
Контур заземления — это серия труб, проложенных под землей на глубине, где температура остается постоянной круглый год.Он служит важным звеном, позволяющим геотермальным тепловым насосам использовать землю в качестве источника тепла или радиатора, в зависимости от того, требуется ли обогрев или охлаждение.
Как работает контур заземления?
Всего в нескольких футах ниже поверхности земли температура земли составляет 50-55 градусов, независимо от температуры наружного воздуха. Эта разница в температуре позволяет земле действовать как источник тепла зимой и отвод тепла летом. Геотермальный тепловой насос (расположенный внутри дома) улавливает эту энергию путем циркуляции теплопроводной жидкости через подземный контур заземления.
Зимой жидкость поглощает тепло от более теплой земли и переносит его в тепловой насос, где попадает в теплообменник и используется для обогрева вашего дома.
Летом процесс обратный, когда домашнее тепло улавливается и отводится в более прохладную землю, оставляя ваш дом комфортным с кондиционером.
Типы систем контура заземления
Существует несколько типов конструкций контура заземления, но все они делятся на две основные категории: замкнутый контур и разомкнутый контур.
Геотермальные системы с замкнутым контуром
Есть 3 типа геотермальных систем с замкнутым контуром: вертикальные, горизонтальные и пруд / озеро. Поскольку петли прудов / озер требуют наличия источника воды на территории, они относительно редки, и мы не обсуждаем их подробно.
Горизонтальный контур заземленияГоризонтальный контур заземления устанавливается на большой площади земли и требует достаточно места для рытья траншей длиной в сотни футов и глубиной 6-10 футов.Горизонтальные контуры заземления можно использовать только при наличии достаточного дворового пространства и легком копании траншей.
Установка горизонтального контура заземления
Для установки горизонтальной системы рабочие используют траншеекопатели или экскаваторы для выкапывания траншей на глубине 5-10 футов под землей, а затем устанавливают серию пластиковых труб, из которых состоит геотермальный теплообменник. Затем они засыпают траншею, следя за тем, чтобы острые камни или мусор не повредили трубы. Обычная практика — свернуть трубу в обтяжку, чтобы она соответствовала полю контура на меньшей площади.При этом уменьшается необходимая площадь земли, но для этого потребуется установка большего количества труб.
Эта конфигурация обычно является наиболее рентабельной, поскольку для нее требуется рытье траншеи, а не бурение.
Вертикальный контур заземленияВертикальный контур заземления устанавливается в одной или нескольких скважинах на глубине от 200 до 500 футов в земле. Каждое отверстие имеет диаметр от 5 до 6 дюймов, а если у вас их больше, чем одно, расстояние между ними составляет около 20 футов. Эта конфигурация идеальна для домов, где пространство двора ограничено, когда скальные образования находятся очень близко к поверхности, или для модернизированных применений, где желательно минимальное нарушение ландшафтного дизайна.
Установка вертикального контура заземления
Для установки вертикальной петли подрядчик будет использовать оборудование для бурения скважин, чтобы пробурить вертикальную скважину диаметром 6-8 дюймов в земле глубиной 200-500 футов. Далее в отверстие вставляется однотрубная петля с П-образным отводом внизу. После того, как труба будет вставлена, отверстие будет залито, заполняя его снизу вверх.
Затирка выполняет две основные функции:
- Обеспечивает контакт между трубами и землей для улучшения теплопередачи.
- Изолирует отверстие от любых водоносных горизонтов или источников грунтовых вод, которые могли быть пробиты во время процесса бурения. Защита глубоких слоев земли с помощью подходящего материала для затирки так же важна, как и обеспечение теплопередачи между системой трубопроводов и окружающей землей.
Вертикальные петли, как правило, дороже в установке, но для них требуется меньше трубопроводов и меньше площади земли, чем для горизонтальных петель. Dandelion Geothermal в настоящее время устанавливает только системы с вертикальным контуром заземления.Этот тип геотермальной системы идеально подходит для городских или пригородных районов в долине Гудзон и в столичном регионе Нью-Йорка, где пространство в дефиците.
Компания Dandelion разработала инновационный запатентованный комплект акустической буровой установки, который легче, чище и может устанавливаться в 14 раз быстрее, чем обычная буровая установка.
Геотермальные системы открытого цикла
Геотермальные системы с открытым контуром извлекают воду непосредственно из колодца или пруда и пропускают ее через водо-хладагентный теплообменник в геотермальном тепловом насосе.После передачи тепла между забираемой водой и тепловым насосом вода сбрасывается обратно в колодец, в пруд или в дренажную канаву в зависимости от местных норм.
Этот тип заземления используется реже, но его можно использовать с меньшими затратами, если грунтовых вод много.
Установка с открытым контуром
Системыс разомкнутым контуром являются самыми простыми в установке и успешно используются в течение десятилетий в областях, где это разрешено местными правилами.В этом типе системы грунтовые воды из водоносного горизонта направляются непосредственно из колодца в здание, где они передают тепло геотермальному тепловому насосу. После того, как вода покидает здание, она выбрасывается обратно в тот же водоносный горизонт через второй колодец, называемый сливным колодцем, расположенный на подходящем расстоянии от первого. При рассмотрении вопроса о разомкнутой системе следует консультироваться с местными должностными лицами по охране окружающей среды.
Поскольку в системах с разомкнутым контуром вода используется «за один проход», их часто называют системами «с насосом и сбросом».Производительность системы GSHP может со временем ухудшиться, если присутствуют проблемы с качеством воды (высокое содержание минералов или растворенных твердых веществ и т. Д.) Или если подача воды снижается по какой-либо причине.
Каковы размеры геотермальных контуров заземления?
Размер контура заземления зависит от размера геотермального теплового насоса, почвенных условий собственности и общего климата. Чем больше нагрузка на отопление и охлаждение дома, тем больше требуется геотермальный тепловой насос и, следовательно, тем больше требуется контур заземления.
Каков срок службы контура заземления?
Геотермальные контуры заземления могут прослужить 50+ лет — даже до 100 лет!
После установки подземный контур заземления будет постоянным приспособлением на участке до тех пор, пока есть здание, которое нужно обогревать и охлаждать.
Из какого материала делают контуры заземления?
Полиэтилен высокой плотности (HDPE) и сшитый полиэтилен (PEXa) — единственные материалы, официально утвержденные для геотермальных систем замкнутого цикла Международной ассоциацией наземных тепловых насосов (IGSHPA).Полиэтилен, самый распространенный пластик в мире, используется в широком диапазоне применений, таких как упаковка пищевых продуктов, пластиковые бутылки и пакеты, лайнеры для бассейнов и, конечно же, геотермальные трубопроводы.
Полиэтиленовая труба долговечна, устойчива к коррозии и может выдержать даже землетрясение, согласно данным Института пластиковых труб.
Dandelion Geothermal использует HDPE, пищевой пластик, который часто используется для изготовления молочных кувшинов.
Какая жидкость циркулирует по контурам заземления?
В геотермальных системах с замкнутым контуром обычно циркулирует смесь воды и небольшого количества антифриза для понижения точки замерзания раствора.Смесь одуванчика состоит всего на 22% из пропиленгликоля.
Dandelion Geothermal использует смесь воды и пропиленгликоля, пищевой нетоксичный антифриз, обычно используемый в качестве добавки в смеси для напитков, заправки, смеси для тортов, безалкогольные напитки, попкорн, хлеб и молочные продукты.
Где Одуванчик берет воду, которая используется для заполнения системы контура заземления?
Для заполнения петли используем воду домовладельца. Это делается только один раз и требует умеренного количества воды.Одна и та же вода используется снова и снова в замкнутом цикле.
Могут ли геотермальные контуры заземления выйти из строя под землей или протечь?
Контуры заземленияHDPE чрезвычайно устойчивы к коррозии и химическим воздействиям, что означает, что нормальное (или ненормальное) движение воды и жидкостей под землей практически никогда не повредит им.
По завершении строительства весь узел трубопровода герметизируется и проверяется на герметичность перед вводом в эксплуатацию. Это гарантирует отсутствие утечек в системе до запуска.
Однако в некоторых редких случаях они могут быть повреждены:
- Механическая травма. Любая механическая работа, выполняемая в области петель, может повредить контуры заземления, особенно при сверлении глубоких отверстий для столбов.
- Утечки из плохих сварных соединений. Это ошибка установки, при которой контуры заземления имеют «холодный предохранитель», но утюг не удерживался на фитингах достаточно долго.
Dandelion Geothermal требует, чтобы все стыки / соединения трубопроводов выполнялись плавлением, и не допускает использования заглубленных механических фитингов.
Можно ли проехать по контурам заземления?
Да, их можно безопасно переехать, когда они закопаны в землю. Тем не менее, если грунт все еще мягкий после укладки, он не будет сильно уплотнен.
Пока земля не затвердеет, мы рекомендуем положить лист фанеры (или что-то подобное) поверх дорожки шины, чтобы распределить нагрузку от проезжающих по ней транспортных средств.
Можно ли сажать деревья над участком, где проложены контуры заземления?
Мы не рекомендуем сажать деревья там, где проложены контуры заземления, по двум основным причинам:
- Корневая система деревьев может разрастаться петлями .