A MODULAR HEAT PUMP SYSTEMS

Сучилин В.А.¹, Кочетков А.С.², Губанов Н.Н.³

¹ORCID: 0000-0001-7467-5033, Доктор технических наук, ²Магистр, ³Магистр, Российский государственный университет туризма и сервиса

ПРИНЦИП МОДУЛЬНОСТИ ТЕПЛОНАСОСНЫХ УСТАНОВОК

Аннотация

В статье рассматриваются вопросы модульного принципа построения теплонасосных установок(ТНУ) типа грунт-вода для отопления и горячего водоснабжения помещений. Предлагается новый подход к разработке внешнего контура теплового насоса, позволяющего решать проблему стабилизации теплового баланса грунта в зоне низкотемпературного теплообменника. Сущность новизны заключается в включении во внешний контур теплового насоса структурного модуля в виде аккумулятора тепловой энергии, подключенного к солнечному коллектору.

Ключевые слова: теплонасосные установки, теплообменники, структурные модули.

Suchilin V.A.¹, Kochetkov A.S.², Gubanov N.N.³ 

¹ORCID: 0000-0001-7467-5033, PhD in Engineering, ²Master, ³Master, Russian State University of Tourism and Service

A MODULAR HEAT PUMP SYSTEMS

                                                                                                                 Abstract

The article deals with the modular principle, constructed eniya heat pump systems (HPS) such as groundwater for heating and hot water facilities. A new approach to the insert processing of the external heat pump circuit, which allows to solve the problem of the stabilization of soil heat balance in the low-temperature heat exchanger zone. The essence of innovation is the inclusion of the outer contour of the heat pump module structure in the form of thermal energy storage, sub-connection to a solar collector.

Keywords: heat pumps, heat exchangers, structural modules.

В настоящее время потребность в энергии в стране растет быстрыми темпами, особенно в системах отопления и горячего водоснабжения, в то время как возможности получения ее в необходимом количестве постоянно снижаются, что возрождает интерес к альтернативным источникам энергии и, в частности, к теории и практике применения тепловых насосов (ТН), позволяющих расширять возможности по снабжению тепловой энергией не только частные дома и дачи, но и здания, и помещения ЖКХ и службы быта.

Рынок насыщен отечественными и зарубежными ТН, отличающиеся структурными и конструктивными решениями. В то же время и потребность в данном виде агрегатах неуклонно меняется, что связано чаще всего с развитием частного строительства и расширения сферы малых предприятий. При этом возникают вопросы выбора того или иного вида теплового насоса, отвечающего конкретным условиям функционирования и требованиям эффективности, и надежности в процессе эксплуатации[1]. Важно также учитывать, что ТНУ включает не только тепловой насос, но и ряд устройств, обеспечивающих его функциональное назначение. Это, например, для теплонасосных установок типа грунт-вода, как наиболее востребованных населением, внешний контур с теплообменником, помещенный в грунт, внутренний контур с теплообменником в виде батарей отопления, размещенных в помещении или теплообменника из труб для теплого пола в помещении, а также бак-накопитель для горячего водоснабжения и др. Эти и им подобные устройства также могут отличаться структурно и конструктивно. Очевидно, что потребность в них у заказчика как правило индивидуальна. Классифицируя их как сборочные единицы-структурные модули, можно решить задачу гибкости компоновки ТНУ для потребностей заказчика, тем самым способствовать росту спроса на данное оборудование со стороны населения. В этом случае самым простым по структуре ТНУ может быть теплонасосная установка, включающая ТН, внешний и внутренний контуры с соответствующими теплообменниками. Для расширения функциональных возможностей ТНУ возможно подключение целого ряда существующих, отмеченных выше, и разрабатываемых модулей, что соответствует тенденции развития альтернативной энергетики у нас в стране [1-4].

Необходимо отметить, что еще не в полной мере решены задачи со стабильностью теплопередачи в ТНУ. Так известно, что в средней полосе страны грунт на глубинах 5-10 м имеет температуру порядка +5°С, которая очень мало меняется в течении всего года. В более южных районах эта температура может достигать +10°С и выше. Тем не менее, постоянный отбор тепла из грунта внешним контуром теплового насоса длительное время значительно снижает температуру грунта вокруг теплообменника по сравнению с исходной. Это приводит к падению энергоэффективности теплонасосных установок.

Стабилизации энергоэффективности системы ТНУ при эксплуатации иногда пытаются достигать за счет использования солнечного коллектора, соединенного с теплообменником внешнего контура ТН. Однако малый объем низкотемпературного теплоносителя теплообменника и низкая теплопроводность грунта в зоне его не позволяют в полной мере восстановить тепловой потенциал окружающего грунта за летний период.

ТНУ грунт-вода отличаются прежде всего структурой внешнего контура, схематично показанных на рисунке.

Рисунок 1 - Схемы внешних контуров ТНУ типа грунт-вода: а) - горизонтальный теплообменник; б) - вертикальный теплообменник в скважине; в) - вертикальный теплообменник в колодце (предложенный авторами)

ТНУ с контуром а) подходит для домов с достаточно большой площадью участка земли. Мощность отбора тепла зависит от свойств почвы. Чем влажнее почва, тем выше эта мощность. Приводим прикидочный расчет ТНУ для разных внешних контуров: Например, тепловая потребность дома площадью 100-120 м²– 10 кВт; температура воды в системе отопления (теплый пол) принимаем равной 35 °С. Выбран тепловой насос мощностью 12 кВт из существующего технического ряда оборудования. Для отбора тепловой энергии из грунта и работы компрессора требуется 3 кВт энергии. Теплосъем с поверхностного слоя грунта (сухая глина) q равняется 20 Вт/м.п. Соответственно получаем:

1) требуемая тепловая мощность теплообменника внешнего контура ТН Q_o=12–3=9кВт;

2) суммарная длина труб L = Q_o/q = 9/0,020 = 450 м.п. Для организации такого контура потребуется 10 траншей длиной по 45 м;

3) при шаге укладки 0,8 м необходимая площадь участка S = 450 х 0,8 = 360 м²;

ТНУ с подобным внешним контуром требует больших затрат на земельные и монтажные работы, что является препятствием для широкого внедрения ТН в практику альтернативного теплоснабжения населения.

ТНУ с контуром б) подходит для домов с небольшими участками земли. Исходные данные – те же, что и в приведенном выше расчете горизонтального контура. При удельном теплосъеме зонда 25 Вт/м и требуемой мощности 9 кВт длина зонда L должна составить 360 м. Для устройства коллектора необходимо пробурить четыре скважины глубиной по 85 м. В каждой из них разместить трубы диаметра 32 мм в виде петли; всего – 4 х 170 м с общей длиной 680м.

Выполнение скважин требует сложной техники, монтажные операции дороги и мало доступны в сельской и дачной местности, т.е. система не технологична с точки зрения монтажных работ. Кроме того, она не ремонтопригодна, так как в глубоких скважинах невозможно ремонтировать теплообменник внешнего контура и саму скважину.

ТНУ с контуром в) выгодно отличается от описанных выше. Колодец диаметром 1м и глубиной в пределах 10 м, в котором расположен теплообменник из полимерной трубы, например диаметром 32 мм, уложенной по винтовой линии на всю глубину колодца, плотно прилегающих к стенке его, а в центральной части колодца внутри цилиндрической формы теплообменника размещен структурный модуль - аккумулятор тепловой энергии, выполненный в виде полимерной цилиндрической емкости. Причем колодец выполнен из составных бетонных колец с крышкой, что обеспечивает технологичность монтажных работ и сохранность тепла в колодце.

При тех же исходных данных суммарная длина труб для теплообменника составит всего: L=πD*(h/d) =98,125м, где πD-длина одного витка трубы теплообменника в колодце, h-глубина колодца, d-диаметр трубы теплообменника. Эффективность ТНУ достигается за счет наличия аккумулятора тепловой энергии, содержащего порядка 10 тонн низкотемпературного теплоносителя. Согласно заявки на изобретение [3] он подключен к солнечному коллектору(СК), чем и обеспечивается стабильность накопления и передачи тепла грунту в зоне внешнего теплообменника ТНУ. Важно также отметить, что технология копки колодцев на глубину до 10 м не требуют специальной техники и хорошо отработана у многочисленных частных бригад. Если взять типовой СК площадью - 1,74м² и прокачку антифриза-12 л в минуту, то за 8 часов работы СК через него пройдет 12*60*8=5760 литров антифриза. Известно, что на нагрев 1 тонны воды (в нашем случае антифриза) для бассейна подобным СК на 1^оС надо 1,1 кВт ч энергии. С учетом нестабильности солнечной энергии в течении дня, принимаем нагрев 1 тонны антифриза в среднем на 0,7^оС. Т.е. за сутки на нагрев использовано солнечной энергии 5,76*0,7*1,1=4,4кВт ч. А весь объем аккумулятора тепловой энергии потребует порядка 8-9 кВт ч. Можно установить два подобных СК, но в этом нет необходимости, т.к. в летний период расход тепловой энергии низкотемпературного теплоносителя идет в основном на горячее водоснабжение. Это всего лишь малая часть мощности ТНУ. Вся избыточная тепловая энергия будет накапливаться в грунте для зимнего отопления помещений и расширения комфортного его состояния.

Таким образом предложенный аккумулятор тепловой энергии во внешнем контуре ТН позволит повысит стабильность и энергоэффективность ТНУ, и расширить функциональные возможности установок, практически решая вопрос многовариантности ТНУ для населения и малых предприятий ЖКХ, и бытового обслуживания.

Литература 

1. Филиппов С.П. Малая энергетика в России / С.П. Филиппов // Теплоэнергетика. – 2009. – №8. – С. 38–42.
2. Сучилин В. А., Кочетков А. С., Голиков С. А. Гибкие системы отопления и горячего водоснабжения на основе тепловых насосов. ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ (ЕСУ). Ежемесячный научный журнал, № 1(22) / 2016, Часть 2 - С.133-136.
3. Сучилин В.А., Кочетков А.С. Система отопления и горячего водоснабжения помещений. Заявка на изобретение - МПК F25B30/02. Регистрация в ФИПС - №2016104802 от 12.02.16.
4. http://solarsoul.net/.

References

1. Filippov SP Small power in Russia / SP Filippov // Heat energy. - 2009. - №8. - S. 38-42.
2. Suchilin V.A, Kochetkov A.S., Golikov S.A. Flexible heating and hot water system based on heat pumps. SCIENTISTS EURASIAN UNION (ESU). The monthly scientific journal, № 1 (22) / 2016 Part 2 - S.133-136.
3. Suchilin VA, Kochetkov A.S. Heating and hot vodosnabtion facilities. An application for an invention - F25B30 / 02 IPC. Registration in FIPS - №2016104802 on 02/12/16.
4. http: //solarsoul.net/.