Tepelné čerpadlo v zemi poskytuje v našem klimatu nižší náklady na vytápění než vzduchové čerpadlo. Správně navržený a zkonstruovaný pozemní tepelný výměník má zásadní vliv na jeho efektivní provoz. PŘÍRUČKA: vše, co potřebujete vědět o tepelném čerpadle pozemního zdroje.

Pro koho je pozemní tepelné čerpadlo

Je-li topné zařízení stále ve fázi návrhu, není problém jej přizpůsobit parametrům každého tepelného čerpadla a na dosud nevyvinutém pozemku obvykle neexistují žádné překážky, které by umožňovaly výměník potřebný ke sběru tepla ze země. Musíte vědět, že teplo v zemi v hloubce 1, 5 m pochází téměř výhradně z atmosférických srážek a sluneční energie, takže povrch nad výměníkem tepla by měl být pokud možno dobře vystaven slunečnímu záření a musí být propustný pro vodu. Nemůžete zasadit rostliny nad ním, jejichž kořeny by mohly potrubí v budoucnu poškodit. Rovněž je třeba vzít v úvahu, že provoz tepelného čerpadla snižuje teplotu země o několik stupňů, což narušuje vegetaci rostlin. Z tohoto důvodu je instalace pozemního tepelného čerpadla na dlouho rozvinutém pozemku často příliš těžkopádná.

Zemní tepelné čerpadlo v polském klimatu

Teplota země je mnohem stabilnější než vzduch, takže zemní tepelné čerpadlo nemusí pracovat v širokém teplotním rozsahu výparníku a jeho komponenty mohou být levnější než dobré vzduchové čerpadlo. V určité hloubce pod povrchem Země, která se nazývá hloubka mrazu, je teplota vždy vyšší než 0 o C. Polsko je rozděleno do čtyř zón, ve kterých se tato hloubka pohybuje od 0, 8 m (v zóně I) do 1, 4 m (v IV) zóna). Lokálně se teplota půdy může od těchto hodnot lišit (půda se může ochladit například silným větrem). Lze však říci, že v hloubce více než 1, 5 m má půda vždy kladnou teplotu. Čím hlouběji je, tím stabilnější je teplota země - není chlazena studeným vzduchem, ale také se zahřívá méně díky slunečnímu záření.

Jak funguje zemní tepelné čerpadlo?

K odvádění tepla ze země je nutný zemní výměník tepla. Je to jednoduše trubka umístěná v zemi, tvořící smyčku, ve které cirkuluje kapalina, obvykle známá jako solanka. Smyčka (v praxi je jich několik) prochází výparníkem tepelného čerpadla, ve kterém teplota solanky klesá a je nižší než teplota země. Pokračováním potrubí v zemi se solný roztok postupně zahřívá. Nakonec jde znovu do výparníku, kde vydává teplo. Tímto způsobem funguje jako prostředník při výměně mezi zemí a výparníkem čerpadla. Výměník může být vodorovný nebo svislý. Výběr řešení lze určit podle velikosti pozemku - horizontální výměník vyžaduje několik stovek metrů čtverečních a pro vertikální sondy je potřeba několik desítek. Je důležité, aby objem výměníku byl významný - během celé topné sezóny čerpadlo dostává několik megawatthodin tepla ze země. Pokud je příliš malý, příliš se ochladí a v důsledku toho nemůže čerpadlo správně fungovat. Řídicí systém zemního tepelného čerpadla jej obvykle vypne, když teplota solanky klesne na -7 ° C, protože pod touto hodnotou jsou procesy v cyklu kompresoru nepřiměřeně narušeny.

Zemní tepelné čerpadlo s horizontálním tepelným výměníkem

U vodorovného tepelného výměníku se předpokládá, že je optimální hloubka 0, 2 až 0, 5 m pod bodem mrazu. Pokud však existuje vodní tok v relativně malé hloubce, nejlepším řešením je umístění potrubí. Tepelné čerpadlo pak dosáhne vyšší COP. Trubky horizontálního výměníku jsou uloženy v předem připraveném výkopu s rozměry odpovídajícími požadované ploše výměníku. Jsou vedeny ve formě cívky (meandry) na celém povrchu výkopu, s určitým odstupem mezi sousedními sekcemi. Vzdálenost by neměla být menší než 0, 4 m nebo větší než 1, 2 m - přizpůsobena typu půdy, z níž vyplývá její schopnost „regenerovat“ (doplnit teplo). Čím déle je povrch země zamrzlý, tím větší by měly být mezery.

Je třeba si uvědomit, že tepelná energie výměníku nevyplývá z délky potrubí, ale z povrchu země, na níž je umístěna. Menší vzdálenosti mu neumožňují přijímat více tepla, ale vyžadují použití delší trubky. To se promítá do vyšších investičních a provozních nákladů, protože k čerpání solanky přes delší potrubí je zapotřebí větší oběhové čerpadlo. Na druhé straně, příliš velká vzdálenost mezi trubkami znamená, že teplo není shromažďováno v předpokládaném množství, takže výkon výměníku tepla je menší.

Zemní tepelné čerpadlo s horizontálním tepelným výměníkem

Výpočet výměníku povrchového tepla pozemního tepelného čerpadla

Síla, kterou zemní tepelný výměník přenáší teplo, závisí na typu půdy a přesně na její vlhkosti. V závislosti na výpočtu povrchu vodorovného výměníku se předpokládají následující hodnoty tepelné účinnosti půdy g g (pro polyethylenové trubky):

  • suchý písek - 10 W / m 2
  • vlhká písčitá - 15-20 W / m 2
  • suchá hlína - 20-25 W / m2
  • vlhká hlína - 25-30 W / m 2
  • mokrý (aquifer) - 35-40 W / m 2 .

To jsou samozřejmě orientační hodnoty.

Je obtížné posoudit, zda je půda v celé oblasti určené pro výměník stejná, dokud není postavena, proto je bezpečnější vypočítat pro výpočet menší hodnotu. Ve správně vyrobeném systému pracuje kompresor tepelného čerpadla od 1 800 do 2 400 hodin ročně - nižší tepelný výkon půdy vede k delší pracovní době.

Povrch výměníku tepla se vypočítá podle vzorce: A = Q chlazení / q g

Příklad: energetická náročnost domu na vytápění je 14 kW a čerpadlo je musí zcela uspokojit (musí pracovat v jednomocném systému). Vybrané zařízení získává tepelný (topný) výkon 14 kW pro parametry B0 / W35, přičemž dosahuje COP 4, 5 = 4, 5. Chladicí kapacita je proto Q Chł = (4, 5-1) / 4, 5 · 14 = 10, 9 kW, tj. 10 900 W. Výměník se provádí v suché hliněné půdě, takže jeho povrch by měl být A = 10 900 / 20 = 545 m2. Upozorňujeme, že v případě vodonosné vrstvy může být výměník tepla téměř poloviční, ale pokud je půda písčitá, její plocha zabere 1000 m2. V této situaci je lepší umístit potrubí svisle - do studní.

Vertikální výměník tepla

Tepelné čerpadlo dosahuje vyššího faktoru účinnosti COP, když jsou trubky výměníku umístěny svisle v zemi - ve vrtech hlubokých 40 až 150 m. To je způsobeno tím, že v hloubce menší než 10 m je teplota půdy po celý rok kolem 10 ° C - tj. V zimě téměř o deset více než v hloubce 1, 5 m.

Vertikální výměník je však zjevně dražší než horizontální. Jedná se o svislé části potrubí tvořící smyčku (trubka protéká studní, otočí se zpět a stoupá). Nazývají se geotermální sondy. V tomto případě se nepočítá plocha, ale celková délka výměníku obvykle sestává z více než jedné sondy.

Do vertikálních jamek se umístí jeden nebo dva páry zkumavek (U nebo dvojité U sondy). Zavádění trubky do studny je usnadněno hlavou - prvkem spojujícím svislé trubky, který může být uzpůsoben pro použití další plnicí (tlačící) trubky. Hlava a trubky výměníku jsou zasunuty do vyvrtaného otvoru. Poté se do otvoru s plnicí trubkou zavede směs betonu a cementu.

U výměníku typu U proudí kapalina dolů do hlavy s jednou trubkou a druhá se z ní vrací. Ve dvojitém U-výměníku - proudí se dvěma trubkami dolů a dvěma nahoru.

Vzdálenost mezi studnami do hloubky 50 m by neměla být menší než 5 ma pro hlubší od 8 do 15 m. Měly by být umístěny v linii kolmé ke směru toku podkožních vod.

Výpočet délky svislého tepelného výměníku zemního tepelného čerpadla

V tomto případě je důležité uvést, jak se vlastnosti půdy mění s hloubkou. Tyto informace mohou být poskytnuty geologickými mapami a dokumentací studní dříve vyvrtaných poblíž. Na tomto základě je možné posoudit tloušťku jednotlivých vrstev půdy a vypočítat průměrnou hodnotu součinitele tepelné vodivosti l pro oblast, ve které mají být trubky výměníku umístěny. Výpočty však nejsou schopny zohlednit všechny pohyby podzemních vod a v praxi se často stává, že získaný výsledek se výrazně liší od skutečnosti. Aby svislý výměník fungoval správně, nechte půdu vyzkoušet v místě, kde má být vyroben. V tomto případě závisí účinnost půdního tepla q g také na jeho typu.

Pro trubky PE80 je to:

  • suchá písčitá půda - 10-12 W / m;
  • písčitá mokrá - 12-16 W / m;
  • středně jílovitá suchá - 16-18 W / m;
  • středně hlína mokrá - 19-21 W / m;
  • těžká suchá hlína - 18-19 W / m;
  • těžký hliněný mokrý - 20-22 W / m;
  • mokrý (aquifer) - 25-30 W / m

Samozřejmě musíte vzít v úvahu tloušťku jednotlivých vrstev určitého typu půdy a na tomto základě vypočítat celkovou kapacitu každé sondy.

Tepelná účinnost půdy, ve které jsou suchá i zvodnělá vrstva, pomocí dvojitých U sond (čtyři trubky v studni), je průměrně asi 50 W / m. Lze tedy předpokládat, že v případě tepelného čerpadla uvažovaného v příkladu výpočtu horizontálního tepelného výměníku (s chladicí kapacitou 10, 9 kW) jsou zapotřebí studny s celkovou délkou L = 10 900/50 = 218 m, tj. Například každý po čtyřiceti 55 m.

Tepelné čerpadlo v zemi: méně energie znamená levnější instalaci

Investiční náklady jsou přímo úměrné tepelnému výkonu zařízení. Proto i přes skutečnost, že faktor účinnosti zemního čerpadla neklesá s nástupem silného mrazu, stojí za zvážení použití tepelného čerpadla v bivalentním systému.
Nejjednodušší je vybavit jej okamžitým elektrickým ohřívačem vody (obvykle je nabízen jako příslušenství - pro instalaci do krytu tepelného čerpadla). Poté se stanoví bivalentní bod a stanoví se potřebný tepelný výkon čerpadla. Pokud má čerpadlo vytápět dům ve třetí klimatické zóně a předpokládáme, že pod venkovní teplotou -10 o C jej může podporovat elektrický ohřívač, může být jeho tepelná energie o 25% nižší než projektovaná tepelná zátěž vypočtená podle PN-EN 12831 Náklady na výrobu zemního výměníku tepla budou také nižší.

V uvažovaném příkladu postačí místo chladicí kapacity 10, 9 kW 8, 2 kW, a proto horizontální výměník může mít 410 m 2 namísto 545 m 2, a svislý výměník 164 m namísto 218 m. Kromě nižší ceny je tedy nutné menší množství místo.

Které potrubí pro zemní výměník tepla?

Délka jedné smyčky (cirkulace) je omezená - vyplývá z výkonu cirkulačního čerpadla, ve kterém je zemní tepelné čerpadlo obvykle vybaveno výrobcem (pokud není, délka potrubí a příslušné cirkulační čerpadlo je vybrána projektantem instalace). Přípustná délka potrubí musí být odečtena z technických údajů zařízení. Závisí to na průměru a typu použité pracovní tekutiny (solanka). V případě tepelných čerpadel s výkonem až několika kilowattů se používá jedna až čtyři smyčky o délce 100–400 m s průměrem potrubí od DN25 do DN65 (v závislosti mimo jiné na materiálu, ze kterého je trubka vyrobena). Pro horizontální výměníky se nejčastěji používají polyetylenové trubky PE100 (pokud v zemi nejsou kameny) nebo PE100 RC. Trubky PE80 lze použít pro vertikální potrubí. Zemní výměníky tepla jsou také vyrobeny z PE-Xa, polybutylenu (PB) a měděných trubek v plastovém plášti.

Potrubí zemního tepelného výměníku musí být naplněna kapalinou, která nezamrzá při záporné teplotě, s jistotou se předpokládá, že až do -15 o C, i když tepelné čerpadlo má ochranu, která ji vypíná při -7 o C (poté zastaví chlazení země). Protože je atmosférický vzduch ještě chladnější, nesmí být potrubí výměníku tepla nikde vystaveno - musí být zakopáno v zemi v hloubce nejméně 0, 5 m, případně izolované. V blízkosti průchodu potrubí stěnou budovy je nutná izolace, aby půda nezamrzla až 2 m od základu, což by mohlo způsobit stavební katastrofu.

Pracovní tekutina v instalaci zemního tepelného čerpadla

V minulosti byl solný roztok NaCl používán v zařízeních, která přenášejí teplo ze země, proto se používá termín - solná čerpadla -, který se používá dodnes. Solanka se dlouho nepoužívá. Nejoblíbenější je vodný roztok propylenglykolu považovaný za ekologický. Obecně se doporučuje instalaci naplnit - lze ji zakoupit jako hotovou pracovní tekutinu pro takové použití. Při výběru je třeba se řídit doporučením výrobce tepelného čerpadla, protože tekutina může obsahovat různé přísady inhibitorů, stabilizátorů, antioxidantů a odpěňovačů. Propylenglykol má nejen dostatečně nízký bod tečení, ale také nezpůsobuje korozi kovů, nerozpouští plasty a nezpůsobuje zadírání čerpadel. Jeho hustota a viskozita, která se promítá do množství energie potřebné pro čerpání, je však větší než voda, a proto se používá v ne příliš vysoké koncentraci (34%). Samozřejmě existuje mnoho kapalin, které nezamrzají při -15 ° C. Často se také používá roztok ethylenglykolu, ale je považován za škodlivý pro životní prostředí, protože je jedovatý a biologicky nedegraduje.

Ethanol má také dobré vlastnosti - jeho největší výhodou je nízká viskozita a hustota, díky čemuž jeho čerpání spotřebovává méně energie. Jeho použití není oblíbené kvůli jeho hořlavosti, vysoké těkavosti, intenzivnímu zápachu a především kvůli nedostatku mazacích vlastností, které mohou způsobit zablokování oběhového čerpadla. Proto někteří výrobci jejich používání zakazují.

Kategorie:

Topení