Тепловой насос расчет и проектирование

Геотермальные тепловые насосы представляют из себя комплекс устройств, необходимых для преобразования возобновляемых ресурсов природы в тепловую энергию для нужд отопления и ГВС. Причем уровень потребления электрической энергии для функционирования представленного оборудования зависит от правильности выбора самого теплогенератора и всех сопутствующих компонентов (коллекторов, циркуляционных насосов, контрольно-измерительных приборов и аппаратов управления). Именно поэтому приобретая тепловой насос, расчет и проектирование всей системы  — это очень важная задача.

Сегодня имеется множество компьютерных программ, позволяющих выполнить подобные расчеты с учетом всех требований и индивидуальных особенностей объекта, но использование данных полученных расчетным путем также весьма актуально. При выборе оборудования для тепловых насосов ориентировочный расчет можно произвести исходя из данных площади отапливаемого объекта и объема потребления горячей воды. Естественно, что потребление тепловой энергии зависит от типа постройки.

Так, для новостроек уровень теплопотребления составляет 50 Вт/м2 , для домов со стандартной теплоизоляцией — 80 Вт/м2, а для ветхих сооружений данный показатель равняется 120 Вт/м2. Далее на основании этих данных можно рассчитать теплопроизводительность теплового насоса по формуле:

Qтн = (Qсут * (24 – tоткл + 2))/24,

где:

Qтн – теплопроизводительность теплового насоса, кВт;

Qсут – суточное потребления тепла, кВт (определяется как произведение уровня теплопотребления на 24 часа);

t откл – период отключений электроэнергии, ч.

После расчета теплопроизводительности отопительного оборудования, можно приступать к выбору элементов для функционирования первичного контура гелиосистемы. Для этих целей сначала необходимо определить объем теплоносителя, циркулирующего в системе по выражению:

Vт = (Qо * 3600) / (1.05 * 3.7 * ? t ),

где:

? t – значение разности температур антифриза между подающей и обратной магистралью;

Qо – тепловая мощность, извлекаемая из низкопотенциального источника (грунт, вода, воздух), определяется по формуле:

Qo = Qwp – P, кВт

где:

Qwp – номинальная мощность теплового насоса, кВт;

P – электрическая мощность, затрачиваемая для дополнительного подогрева теплоносителя, кВт.

Тогда общая длина горизонтального коллектора для извлечения возобновляемой энергии определится из выражения:

L = Qо/q,

где:

q – удельный теплосъем с одного погонного метра коллектора.

Исходя из этого значения, несложно рассчитать и площадь, необходимую для обустройства всего коллектора:

A = L * dа, м2

где:

dа – расстояние между соседними трубопроводами, то есть шаг коллектора, м.

Для предотвращения частых краткосрочных включений компрессора, а следовательно для продления срока его службы рекомендуется установка расширительного бака на обратной линии теплового насоса (перед входом ). Определение его объемов, также является весьма важной задачей. Для этого воспользуемся формулой:

Vрб = (Vсист * k  * ?T) / (1 – ((1 + Pсист)/(1 + Pпред))),

где:

Vсист – объем теплоносителя в рабочей системе, л;

k – коэффициент, учитывающий объемное расширение теплоносителя (для воды равен  3,7·10^-4, для антифриза (4,0–5,5)·10^-4

?T – значение разности температур антифриза в первичном контуре;

Pсист – рабочее давление в системе теплового насоса (зависит от расстояний между насосной станцией и потребителями тепловой энергии и от применяемых материалов);

Pпред – аварийное давление срабатывания предохранительного клапана (выставляется вручную).

Иногда для более точного поддержания заданной температуры в помещении в режиме охлаждения, и с целью уменьшения инерционности системы, в схеме может применяться аккумулирующий бак. Его емкость определяется соотношением:

Vаб = ( 8,65 * Qх – 0,21 * Vп – 1,2 *Vсист)/ Z,      л

где:

Qх – производительность теплового насоса в режиме охлаждения, кВт

Vп – объем помещений, охлаждаемых при помощи теплового насоса, м3

Vсист – объем теплоносителя в системе, л

Z – число переключаемых ступеней мощности теплового насоса.

В случае если значение Vаб окажется отрицательным установка аккумулирующего бака не потребуется.

Подбор трубопроводов и их габаритных размеров осуществляется на основании табличных данных по мощности теплового насоса и типа коллектора. При этом должна обеспечиваться наиболее оптимальная скорость перемещения теплоносителя, с минимальными потерями давления.