При последнем измерении, в последний день эксперимента, было зафиксировано значение выработки 1,52. В течение недели, столько длилось испытание, содержание воды в грунте увеличилось с начального показателя 13,9 до 25 % к концу недели.
При увеличении содержания воды в грунте примерно на 11 %, значения выработки Я увеличилось на 6,3 %, то есть благодаря улучшению теплопроводности, в результате чего была получена дополнительная природная энергия, владелец установки потратил на отопление на 6,3 % меньше.
Благодаря увлажнению грунта тепловой насос работает стабильно по отношению к источникам теплоты, то есть высокая температура источника теплоты и грунта является основой для генерации большого количества тепловой энергии.
Также важно поддерживать высокую температуру рассола, чтобы не наносить вред окружающей среде. Охлаждение грунта примерно на глубине 1,2 м за счет коллектора, уложенного соответствующим образом, как правило, не оказывает отрицательного влияния на окружающую среду. Существует лишь вероятность, что рост некоторых растений замедлится на несколько недель. Зимой нужно также ограничить образование льда вокруг труб.
Коэффициент полезного действия описывает расход электроэнергии теплового насоса с идеальным коллектором Wel, ideal в соотношении к расходу электроэнергии тепловым насосом с реальным коллектором Wel, real, при этом оба устройства отдают одинаковое количество теплоты Qc при одинаковой температуре в конденсаторе Tc:
vkoll = Wel, ideal / Wel, real .
При этом идеальный коллектор характеризуется:
подачей необходимой теплоты испарения на тепловой насос при температуре ненарушенного грунта Tung на уровне коллектора;
устранением проблем падения давления при использовании циркуляционных насосов, причем без дополнительного расхода электроэнергии РUP.
Потребляемая компрессором электрическая мощность почти не зависит от температуры испарения и, соответственно, от температуры рассола. При низком давлении испарения и в результате этого низкой плотности за один цикл конденсации конденсируется меньше хладагента. При этом наряду с увеличивающимся соотношением давления и в результате этого увеличивающимся вращением уменьшается число оборотов электродвигателя. И то, и другое ведет к тому, что поток хладагента уменьшается, и теплопроизводительность QH падает, но при этом потребление мощности электродвигателем остается почти постоянным.
Для того чтобы передать то же количество теплоты в конденсатор, тепловой насос с реальным источником теплоты, в котором температура рассола ниже, должен дольше работать, чем тепловой насос с идеальным источником теплоты. Реальный период эксплуатации treal больше, чем идеальный период эксплуатации tideal. . Как для компрессора, так и для циркуляционных насосов теплового коллектора не рассматривается более длительный период. Поэтому для определения коэффициента полезного действия коллектора:
vkoll = Pverd tideal /(( Pverd + PUP) treal);
tideal QH, ideal = treal QH, real ;
tideal / treal = QH,real / QH,ideal = еreal Pverd /( еideal Pverd)= еreal / еideal ; Pverd = QH,ideal / еideal ;
а также
еreal = Tc Vreal /( Tc - TS,real);
тогда:
vkoll = (QH,ideal (TC - TUNG) / (QH,ideal (TC - TUNG) + PUP TC videal)) vreal (TC - TUNG) / (vreal (TC - TS,real).
Изменение коэффициента полезного действия реального теплового насоса в зависимости от температуры рассола можно определить с помощью указанной производителем характеристики мощности е (TS). Характерную температуру рассола TSreal, который возвращается в тепловой насос, производители обозначают по-разному TS,RL, real, к чему также имеет отношение указанный коэффициент преобразования. При этом необходимо обратить внимание на то, что нужно скорректировать температуру возвращающегося рассола в зависимости от изменения температуры в контуре рассола и отклонения от указанного растягивания (в большинстве случаев dT = 3 K). Благодаря последнему уравнению и характерной системной температуре (Tc, Tung и Tsreal), изменению коэффициента полезного действия теплового насоса, идеальной или требуемой теплопроизводительности QH и дополнительной электрической мощности для циркуляционных насосов PUP можно оценить энергетическую эффективность теплового насоса.
Из этого следует, что, если реальная средняя температура рассола TSreal высокая, то будет высоким и коэффициент полезного действия. Увлажнение плоского коллектора дает в результате хороший переход теплоты между грунтом и трубой.
Экономическое сравнение с другими системами отопления очень важно. Основой для сравнения рентабельности является Директива 2067 Союза немецких инженеров. Расчет проводился с помощью Excel Microsoft „Amortisation V4_4“
Из рис. 7 видно, что на эксплуатацию и обслуживание теплового насоса типа «рассол-вода» в лучшем случае требуется 735 евро/г., а на тепловой насос типа «воздух-вода» - 888 евро/г. При расчете данных затрат во внимание был принят плоский коллектор без системы увлажнения.
Если за основу принять результаты при увлажнении в 25 % результат содержания воды в грунте (доля поровой воды) будет увеличиваться примерно на 6,3 %/г. И в таком случае затраты на эксплуатацию и обслуживания установки еще уменьшатся на 6,3 %/г., так как увеличивается доля использования бесплатной природной энергии.
Рис. 7. Затраты на отопительную систему за первый год эксплуатации
При использовании коллектора с системой увлажнения затраты на эксплуатацию и обслуживание теплового насоса типа «рассол-вода» с 735 снижаются до 688 евро/г. Затраты на материал и установку составляют примерно 200 евро, которые в данном случае можно окупить примерно за 4 года. С помощью увлажнения грунта можно увеличить мощность изъятия теплоты примерно с 10 до 30 Вт/м2 .
С точки зрения ненанесения вреда окружающей среде тепловой насос типа «рассол-вода» также обладает преимуществом (рис. 8). Так как благодаря системе увлажнения снижается не только расход первичной энергии, но объем выбросов СО2. Это можно объяснить использованием большой доли природной энергии и уменьшением времени работы компрессора.
На рис. 9 представлены показатели выпадения осадков с 1948 по 1998 гг. Очевидно, что за средние 30 лет этот показатель был равен 585 мм. В таком случае возникает вопрос, изменился ли характер осадков и происходит ли это из-за изменения тенденций при отводе, накоплении и увлажнении дождевой воды? Это очень важный вопрос, который был исследован для понимания эффективности использования систем увлажнения коллекторов использованием данных метеостанции Лейпциг-Шкойдитц.
Рис. 8. Сравнение различных отопительных систем по параметру ненанесения вреда
При использовании дождевой воды были сделаны следующие важные заключения:
чтобы добиться максимальной водопроводимости грунта, нужно в короткое время сделать грунт насыщенным;
чем выше содержание воды в грунте, тем лучше вода просачивается в грунт;
при таком состоянии грунта зачастую естественного увлажнения с помощью дождя недостаточно (если грунт слишком сухой);
для составления плана нужны точные геологические данные конкретного района;
в зависимости от структуры грунта в данном районе при использовании системы увлажнения может потребоваться установка цистерн для дождевой воды или устройства канавок.
Основные выводы. В связи с существенно повысившимися ценами на традиционные энергоносители и понимании необходимости заботы об окружающей среде, тепловые насосы становятся все популярнее.
Рентабельность и мощность установок с тепловыми насосами основывается на правильном проектировании и монтаже 3 отдельных компонентов: теплового насоса, источника и потребителя теплоты. Результатом ошибок при их проектировании и монтаже работа всей системы теплового насоса будет неэффективным, и тепловой насос не сможет это компенсировать.
Рис. 9. Количество выпавших осадков, мм, в г. Лейпциг
Благодаря таким насосам и горизонтальным коллекторам теплоту можно изымать даже из поверхностного слоя на глубине от 1,20 до 1,40 м.
Доказано, что показатель годовой выработки для установок с тепловым насосом и грунтовым коллектором можно повысить примерно на 7 %/г., используя ее вместе с запатентованной системой увлажнения.
Доказано, что расходы на эксплуатацию и обслуживание теплового насоса типа «рассол-вода» минимальны. А при использовании плоского коллектора в сочетании с системой увлажнения эти расходы можно снизить еще примерно на 6,3 %.
По сравнению с тепловым насосом типа «рассол-вода» плоский коллектор в сочетании с системой увлажнения наносит меньше вреда окружающей среде. Снижается не только объем использованной первичной энергии, но и объемы выбросов CO2.
Доказано, что ежегодный объем осадков, который попадает в землю, и объем осадков, которые можно собирать с крыши, превышает объем, достаточный для соответствующего увлажнения.
Доказано, что при увлажнении нужно придерживаться определенного алгоритма увлажнения, то есть расходовать воду согласно определенной схеме.
Тепловые насосы, работающие от теплоты грунта, можно использовать не только для отопления, но также и для охлаждения помещения.
Увлажнение дождевой водой способствует повышению годовой выработки почти на 10 %. Следует также учитывать, что затраты на монтаж плоского коллектора с системой увлажнения значительно ниже затрат на скважины с геотермальными зондами.
Разработанная система при эксплуатации отличается вторичным эффектом, а именно: снижением налогов на отвод воды в канализацию в сравнении с использованием пресной и дождевой воды для системы увлажнения.
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. Махов Л.М., Поромпка С. Повышение энергоэффетивности тепловых насосов при испльзовании орошаемых подземных коллекторов. // Вестник МГСУ, 2011, № 3, т. 1. - с. 395-398.
2. Поромпка С., Махов Л.М. Дождевая вода как фактор повышения энергетической эффективности тепловых насосов. // Водоснабжение и санитарная техника, 2011, № 8. - с. 57-60.
3. Поромпка С. Использование тепловых насосов в Германии. // С.О.К., 2011, № 8. - с. 90-91.
4. Махов Л.М., Поромпка С. Устройство и работа орошаемых коллекторов для тепловых насосов. // Промышленное и гражданское строительство, 2011, № 9. - с. 11-13.*
5. Махов Л.М., Поромпка С. Исследование работы тепловых насосов с орошаемым коллектором. // Вестник МГСУ, 2011, № 6. - с. 341-346.*
6. Stappenbeck H., Porompka. S. Device for raising temperature of salt in heat source circuit of heat pumps directs salt stream through salt-air heat exchanger through which fresh or waste air of room is guided - document DE102004039569A1. Mьnchen: Deutsches Patent- und Markenamt, 17.03.2005. - 5 s.
7. Sobotta S., Porompka S. Planungsinformation Elektro Wдrmepumpe geoTHERM Kapitel 8 teilw., 9, 10 teilw.. Remscheid: Vaillant, 11/2005, 69 Seiten
8. Meyer R. Bauen nach dem HOT-DOG-PRINZIP - unser Abschied von Цl und Gas. Taunusstein 2. Auflage: Eberhard Blottner Verlag, 2007. - s. 142-147 (inhaltliche Zuarbeit).
9. Porompka S. Montageanleitung und Entwicklung Kompaktkollektor VWZ KK8/VWZ KK10. Remscheid: Vaillant, 04/2006/ - 16 s.
10. Porompka S. Verbesserung der Jahresarbeitszahl von Wдrmepumpenanlagen durch Kombination eines Regenwasserversickerungssystems fьr Flдchen-kollektoren, TGA Fachplaner 10/2011.
11. Porompka S. Steigert Versickerung die Jahresarbeitszahl. // TGA Fachplaner, 10.2011. - s. 64-67.