Теплові помпи. Термодинамічний контур теплової помпи. Вертикальний ґрунтовий теплообмінник

5.4 Теплові помпи

 Теплова помпа - це пристрій, який забирає тепло із джере­ла з нижчою температурою і передає його джерелу з вищою температурою (малюнки. 5.1, 5.2). Цей процес відбувається за рахунок електроенергії, якою живиться теплова помпа. Чим нижчою є бажана температура приймачів тепла в системі центрального опалення (Ц0)і гарячого водопостачання (ГВП),тим більшою є ефективність теплової помпи. Найдоцільніше використовувати таку помпу в системах підлогового і стінового обігрівання.

 Ефективність роботи теплової помпи характеризується коефі­цієнтом теплової продуктивності є — відношенням відданої те­плової потужності Е до використаної приводом потужності N.

                  (5.2)

          (5.3)

де Е_х - потужність, яку отримує помпа з низькотемпературного джерела.

Коефіцієнт теплової продуктивності помпи залежить від:

•  температури низькотемпературного джерела тепла (її зростання спричиняє збільшення показника є);

•  температури високотемпературного джерела тепла (її зни­ження спричиняє збільшення показника є).

Малюнок 5.1 - Термодинамічний контур теплової помпи

Коефіцієнт e вказує, яку потужність N (кВт) потрібно подати приводові теплової помпи, щоб отримати теплову потужність Е (кВт) у високотемпературному джерелі тепла. Низькотемпе­ратурним джерелом може бути:

•  атмосферне повітря;

•  ґрунтові і поверхневі води;

•  ґрунт або зворотна мережева вода системи теплопостачання.
Високотемпературними джерелами тепла для теплової помпи є системи ЦО і ГВП.

Малюнок 5.2 - Основні елементи системи з тепловою помпою

1- редукційний клапан; 2 -  конденсатор; 3 - високотемпературне джерело тепла;  4 - компресор; 5 - випаровувач;  6 - низькотемпературне джерело тепла

Ґрунт як низькотемпературне джерело тепла для помп малої продуктивності

Ґрунт є добрим акумулятором тепла. Його поверхня поглинає сонячну енергію і засвоює її за допомогою конвекції та дощу. Теплова енергія акумулюється у приблизно 10-метровому шарі ґрунту. На цій глибині температура дорівнює середньорічній температурі повітря — близько 10 °С. Однак для економії ко­штів горизонтальні теплообмінники розташовують на менших глибинах — від 1 до 2 м. Для IV і V кліматичних зон їх слід укладати нижче від зони промерзання ґрунту (тобто на глибині 1,8 м). Температура ґрунту протягом року змінюється за законом синуса (малюнок 5. 3): у липні становить близько 17 °С, а в січні — при­близно 5 °С. Величина відхилення температури від середньорічної залежить від фізичних властивостей ґрунту і глибині/ розташування теплообмінника. Чим глибше він закладений тим продуктивніше працює теплова помпа, адже температура джерела тепла буде вищою і стабільнішою. Є два типи ґрунтових теплообмінників — горизонтальні та вертикальні.

Малюнок 5.3 -  Графік відхилення температури ґрунту від середньорічної температури

Горизонтальний ґрунтовий теплообмінник

Ґрунтові теплообмінники виготовляють із полімерних труб (поліхлорвінілових, поліетиленових, поліпропіленових, поліетиленових). Розташовують їх паралельно або серпантиноподібно. При цьому слід шукати компроміс між продуктивністю пристрою та вартістю реалізації цілого проекту.

Малюнок 5.4 -  Горизонтальні ґрунтові теплообмінники різних конфігурацій

 Зазвичай ґрун­тові теплообмінники укладають на глибині 1,2...2,0 м (малюнок 5.4), але по-різному. Довгий і глибоко розташований теплообмінник працюватиме з відносно низькими тепловими опорами, а темпе­ратура зворотної води, яка подається до теплової помпи, буде гарантовано забезпечувати ЇЇ високий коефіцієнт теплової про­дуктивності (КТП). Однак через значну інвестиційну вартість такий варіант економічно не вигідний.

Короткі і неглибоко закладені теплообмінники дешевші, але вони суттєво впливають на КТП теплової помпи, що в результаті спричиняє занадто високу температуру робочого тіла на вході у випаровувач влітку і занизьку — взимку. З невідповідним ґрунтовим теплообмінником помпа не забезпечить необхідного теплового навантаження будинку. Кількість тепла, що відда­ється ґрунтом протягом опалювального сезону, визначається за формулою:

q = Вт(5.4)

де q- питома кількість тепла, що забирається з ґрунту, Вт; q_Е- питоме теплове навантаження будинку, Вт; є - коефіцієнт теплової продуктивності помпи, наведений виробником.

Теплова потужність, яку віддає або забирає одиниця довжи­ни теплообмінника, залежить від теплового навантаження будин­ку, КТП помпи  та його повної довжини . Довжина обмінників-змійовиків для поліетиленової труби діаметром 2" при витраті енергоносія 1 дм³/с не повинна перевищувати 750 м. Макси­мальна теплова потужність помпи, яка працює з таким обмінником, складає 17,5 кВт.

Таблиця 5.1- Довжина теплообмінників залежно від номінальногодіаметра труби