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.