Рис. 2. Способы размещения плоских коллекторов
Температура возвращающейся в коллектор среды-теплоносителя при непрерывной эксплуатации коллектора (несколько недель) не должна превышать предельный диапазон ±12 K изменения температуры по сравнению с ненарушенной температурой грунта. При максимальной нагрузке данный показатель не должен превышать ±18 K.
Грунтовые коллекторы состоят из труб, которые прокладываются примерно на 20 см ниже глубины промерзания. Такие коллекторы отлично подходят для домов, которые стоят на достаточно большом земельном участке. Площадь свободного земельного участка должна примерно в 1,5 - 2 раза превышать отапливаемую площадь.
Четвертая глава посвящена геологическим и физическим свойствам почвы и влиянию этих параметров на весь процесс установки коллектора от момента проектирования до непосредственно монтажа. В работе рассматриваются сведения из правил Союза немецких инженеров VDI 4640 часть 1 и 2, регламентирующие данные работы в Германии.
Значение годовой выработки теплового насоса находится в диапазоне от 1,8 до 2,4 ч/г., грунтовый коллектор рассчитывается с учетом данных по удельной мощности съема теплоты от грунта, Вт/м2. При более длительной в течение года работе теплового насоса расчет коллектора происходит с учетом допустимого удельного отбора теплоты от грунта. Изъятие теплоты грунта для подземных коллекторов должно находиться в диапазоне от 50 до 70 кВт•ч/м2. Данный показатель действителен для работы системы только в режиме отопления. При изъятии тепловой энергии летом (охлаждение, дополнительная нагрузка) это значение может выходить за рамки указанного диапазона. При проектировании и укладке плоского коллектора нужно учитывать, что температура грунта зависит от мощности изъятия тепловой энергии с того или иного типа почвы. Не обязательно иметь точные сведения о почве. Сейчас с помощью соответствующих программ по моделированию можно правильно уложить плоские коллекторы. Также нужно учесть площадь для абсорбции, которая определяется на основании мощности изъятия тепловой энергии и допустимого годового числа часов работы оборудования. подземный коллектор погодный дождевой
Программа моделирования WP-OPT © идеально подходит для расчета и оптимизации работы отопительных тепловых насосов с плоскими коллекторами. Эта программа является основной для моделирования ситуаций, которые представлены в данной работе.
В пятой главе описывается весь процесс работы с экспериментальной установкой: от обоснования выбора места до окончательного монтажа. Большое внимание уделяется параметрам, которые важно было учесть и протестировать, а также подходы к решению проблем, которые возникали в ходе эксперимента. Вторая часть главы посвящена описанию запатентованной системы увлажнения и сравнительным характеристикам датчиков влажности.
Цель данного испытания - на основании приведенных конечных величин определить расчетный и реальный коэффициент преобразования Карно, а также значение выработки Я. Это позволило сделать вывод относительно влияния различной степени влажности почвы и получить четкое представление об эффективности эксплуатации плоского коллектора с системой увлажнения. Для этого необходимо принять исходные величины, а возмущающие переменные величины, такие как дождь, комнатная температура необходимо удерживать на одном уровне. Такой фактор влияния, как содержание воды в почвенных капиллярах при проведении испытания является переменной величиной.
Перед проведением данного испытания при помощию программы моделирования было вычислено значение годовой выработки Я теплового насоса. Значение Я смоделировано для 3-х примеров, данное значение вместе с моделированием, основанием для которого является соответствующие правила Союза немецких инженеров, доказывает, что результаты моделирования для определения значения годовой выработки Я подтверждаются инженерно-техническим методом составления расчетов.
Расчеты проводились с разным содержанием воды в сухом, влажном и мокром песке при изменении его коэффициент теплопроводности от 0,4 до 2,7 Вт/(м•К). В качестве места установки грунтового коллектора для съема тепловой энергии от грунта была выбрана площадка с зелеными насаждениями возле корпуса I, где находятся основные лаборатории университета г. Лейпцига. Согласно расчетам DIN EN 12 831 необходимая стандартная отопительная нагрузка для выбранного объекта составляет 3,07 кВт. Для того чтобы установка работала непрерывно, тепловой насос типа «рассол-вода» должен работать именно с такой заданной производительностью. Решающее значение для экономичного режима работы теплового насоса имеет параметр, который образуется из отношения переданной за весь год в отопительную систему и в систему горячего водоснабжения энергии ко всей затраченной электроэнергии (Я), который сравнивается с годовым коэффициентом эксплуатации отопительной установки.
Расчеты показали, например, что поток теплоты на грунтовый коллектор с системой увлажнения почти вдвое выше, чем без этой системы.
|
Рис. 3. Схема теплопереноса с системой увлажнения и капиллярным эффектом |
Параметры слоя определялись для сухого песка без системы увлажнения - 0,98 м2·К/Вт, с системой увлажнения - 0,78 м2·К/Вт. Таким образом, можно сделать вывод, что чем меньше параметр слоя, тем больше тепловой поток к трубе плоского коллектора. Плоский коллектор установлен на площади 3 х 3 м, на глубине 1,2 м. Материал трубы - полиэтилен PE PN06, размером 32 х 2,9 мм; расстояние между петлями труб составляет от 0,5 до 0,7 м (рис. 3). Анализ почвы участка показал, что в данном случае речь идет о насыпи из песка и глины с пахотным слоем. |
В соответствии с правилами Союза немецких инженеров VDI 4640, часть 2, было определено значение допустимой удельной мощности теплосъема 25 Вт/м2. С помощью программы Excel была определена общая длина трубы (6 контуров по 3 м с шагом 0,5-0,7 м, трубы РЕ PN 0,6 32х2,9 мм). Оборудование для измерения температуры и давления, а также мембранный расширительный бак с предохранительным клапаном устанавливаются согласно рис. 4. В последнюю очередь на плоском коллекторе крепится система увлажнения со всеми элементами. Плоский коллектор с системой увлажнения соединяется с подающей и обратной линией рассольного контура испарителя теплового насоса. В данной системе заполнена смесь гликоля с водой, которая защищает трубу от замерзания даже при температуре -15 °C. Такая смесь также предотвращает образование в системе коррозии. Так как речь идет о закрытой системе, то для циркуляции рассола между коллектором и тепловым насосом требуется рассольный насос. Плоский коллектор уложен в песчаные слой глубиной 30 см (10-сантиметровая песчаная подушка под трубами коллектора, песчаная засыпка 20 см). Контуры коллектора уложены в форме улитки, которая обусловлена размерами участка. Система увлажнения, перенесенная под землю, состоит из водопроводных шлангов с открытыми порами. В зависимости от участка шланги укладывают на глубине до 0,7 м. В зависимости от влажности грунта, по мере надобности, эта система увлажняется собираемой дождевой водой. Интенсивность увлажнения от системы шлангов примерно составляет 4 л/(м•ч).
Рис. 4. Габариты и особенности плоского коллектора с системой увлажнения
В ходе эксперимента было важно доказать, что значение годовой выработки Я будет увеличиваться в зависимости от соответствующего повышения влажности используемого грунта. Для этого грунт постепенно увлажнялся согласно точно определенному временному графику и заданной степени влажности.
Установка была смонтирована таким образом, чтобы теплота от водяного конденсатора передавалась на поверхность нагрева. Так как лаборатория находится в прохладном подвале, поверхность нагрева может принимать теплоту круглый год. Достаточно быстро было определено, что теплоотдача первой поверхности нагрева составила примерно 500 Вт. Данный показатель был слишком мал. Поэтому установили поверхность нагрева с большими габаритами, примерно на 1,5 кВт.
За счет такой поверхности нагрева всю лаборатория могла отапливаться от теплового насоса, работающего в моновалентном режиме. Температура подающей линии системы отопления составляла 55 °C, потребление теплоты поверхностью нагрева - 1500 Вт, средняя комнатная температура в лаборатории в течение всей серии испытания составила 21 °C, что позволяет сделать вывод о стабильности работы источника теплоты.
Патент DE 10200106 A1, который взят за основу в данной работе, позволяет достигнуть следующих целей: изготовление плоского коллектора для теплового насоса типа рассол-вода в сочетании с системой увлажнения; повышение эффективности плоского коллектора благодаря дополнительному увлажнению; уменьшение времени рекультивации грунта вокруг плоского коллектора в течение межотопительного периода благодаря непосредственному перемещению теплоты от теплого дождя; повышение эффективности при производстве технической воды в течение неотопительного сезона благодаря непосредственному поступлению теплоты от дождевой воды; сокращение налога на отвод сточных вод благодаря отсутствию «выпавших осадков»; минимизация затрат на подземные работы и установку за счет использования метода горизонтального бурения и ракет для взрывания грунта.
На рис. 5 представлен основной принцип использования плоского коллектора совместно с системой увлажнения (линии синего цвета). Линии красного цвета являются системой труб - это предыдущий плоский коллектор, исполненный с последовательным соединением труб. Трубная система, которая изображена синим цветом, и является техническим новшеством патента. Дождевая вода, которая стекает по крыше с обеих сторон дома, в данном случае не попадает в канализационную систему, а с помощью изображенных синим цветом напорных труб подает дождевую воду к изображенным серым цветом распределительным и контрольным шахтам.
Рис. 5. Конструкция и схема укладки плоского коллектора по патенту
Благодаря распределительным шахтам дождевая вода распределяется по всему плоскому коллектору. Второй плюс данного изобретения заключается в значительном сокращении налога на отвод сточных вод при устройстве системы для использования дождевой воды. В качестве примера рассмотрим частный дом, в котором ежегодный объем потребляемой питьевой воды 150 м3 и имеется 60 м3 выпавших осадков на 120 м2 площади. Единый налог на питьевую воду - 2,30 евро, налог за отвод дождевой воды с участка - 0,7 евро. Экономия по сравнению с системой без использования дождевой воды составляет 105 евро/г.
На рис. 6 представлен улучшенный плоский коллектор с системой увлажнения, где: 1 - плоский коллектор; 2 - пластмассовая труба PE 32Ч2,9 мм; 3 - соединительное колено; 4 - траншея для укладки труб - начальный котлован; 5 - траншея для укладки труб -
Рис. 6. Улучшенный плоский коллектор конечный котлован; 6 - система увлажнения; 7 - труба увлажнения; 8 - контрольная и распределительная шахты; 9 - контрольная и промывная шахты; 10 - облицованная нетканым полотном дренажная труба; 11 - запорный механизм.
В шестой главе проведена оценка результатов испытаний. В качестве критериев были выбраны такие величины, как коэффициент преобразования Карно; реальное число коэффициента преобразования; недельная выработка теплового насоса; изменение температуры в течение времени проведения испытания.
В первый день эксперимента температура грунта была неизменной, грунт искусственно не увлажнялся. За весь период в грунт было вылито 0,76 т воды. Грунт до последнего дня эксперимента была нагружена с максимальной мощностью изъятия теплоты 679 Вт.
Коэффициент преобразования Карно с 7,89 в первый день проведения испытания падает до 7,7 в последний день проведения испытания, то есть уменьшается примерно на 3,9 %.
Температура обратной линии рассола падает с 10,24 в первый до 8,07 °C в последний день проведения эксперимента. Решающим фактором является почти постоянная температура грунта: 15,87 в первый и 15,36 °C в последний день проведения эксперимента. Так как участок, на котором проводилось испытание, был защищен от внешнего воздействия окружающей среды очень плотной палаткой, то влияние дополнительного увлажнения становится очевидным и проявляется в почти постоянной температуре грунта.
Разность между температурой грунта и температурой рассола, возвращающегося из плоского коллектора возросла с 5,63 в первый до 7,30 K в последний день проведения эксперимента. Так как температура грунта во время проведения испытания остается почти постоянной, можно сделать предположение, что после наполнения плоского коллектора уплотнение грунта было неудовлетворительным, в результате чего был слабый теплоперенос между грунтом и трубой коллектора. Повторение эксперимента не потребовалось, поскольку при дальнейших испытаниях были получены похожие или лучшие результаты, однако, при этом разность температуры между температурой грунта и возвращающего рассола становилась меньше примерно на 1 К.
Для того чтобы повысить теплопроводность грунта, грунт над коллектором нужно уплотнять.
При рассмотрении результатов эксперимента речь не идет о контурах, которым не свойственны потери, наоборот, для работы насоса и вентиля требуется вспомогательная энергия. Реальный коэффициент потерь ЭR составляет 50 % от коэффициента преобразования Карно Э.
В самом начале эксперимента, в первый день, значение выработки равнялось 1,43. С самого первого дня эксперимент проводился без дополнительного увлажнения грунта над установленным плоским коллектором.