Движение потоков энергии в геотермальном тепловом насосе

Хотя отдельные компоненты, используемые в тепловых насосах типа «вода-вода», меняются в зависимости от производителя, принцип их работы остается тот же

Геотермальные тепловые насосы продолжают оставаться популярной темой в дискуссиях по ОВиК или HVAC (отопление, вентиляция и кондиционирование). В некоторых странах государственные структуры активно стимулируют установку геотермальных тепловых насосов как в жилых, так и в коммерческих зданиях.

Инженеры, работающие с гидравлическими системами, должны знать, что можно получить от геотермальных систем. В частности, как геотермальные тепловые насосы типа «вода-вода» могут быть объединены с современным гидравлическим отоплением. Чтобы правильно применять их, важно понимать основы термодинамики.

Основы: Все тепловые насосы переносят тепло из среды с более низкой в среду с более высокой температурами. Источником, из которого берется низкотемпературное тепло, может быть, что угодно. Некоторые тепловые насосы извлекают тепло из наружного воздуха и называются тепловыми насосами «воздух-вода» или «воздух-воздух». Геотермальные тепловые насосы извлекают тепло из грунта и передают его жидкости, циркулирующей по трубам, которые находятся в земле.

Большинство геотермальных тепловых насосов работают с использованием стандартного холодильного цикла с компрессией пара. По мере того, как хладагент перемещается по контуру, он изменяет свое состояние от пара к жидкости и наоборот, в непрерывном процессе. Когда жидкий хладагент испаряется, он поглощает тепло из окружающей среды. И наоборот, когда пары хладагента конденсируются обратно в жидкость, они выделяют тепло в окружающую среду.

Жидкий хладагент поступает в испаритель в виде жидкости с низкой температурой и давлением. Он соприкасается с поверхностью медных каналов, в которых течет вода или смесь воды и антифриза. Поскольку жидкий хладагент на несколько градусов холоднее, чем вода в каналах, он поглощает ее тепло. Поглощенное тепло вызывает испарение хладагента.

Холодный газообразный хладагент затем поступает в компрессор с электроприводом, где его давление и температура значительно повышаются. Линия подачи горячего хладагента, выходящая из компрессора, может иметь довольно высокую температуру (от 60 °С до 80 °С).

Разогретый газ поступает в конденсатор, где он проходит через другой медный контур, несущий воду из гидравлической распределительной системы. Поскольку газообразный хладагент теплее воды, тепло переходит от газа к воде. Это приводит к тому, что хладагент конденсируется обратно в жидкость, но остается при относительно высоком давлении.

Наконец, жидкий хладагент из конденсатора поступает в клапан теплового расширения. Когда он проходит через этот клапан, его давление снижается, а температура резко падает. Хладагент возвращается в то же состояние, к началу цикла. И так будет повторяться, пока работает компрессор.

Хотя отдельные компоненты, используемые в тепловых насосах типа «вода-вода», меняются в зависимости от производителя, принцип их работы остается тот же: переместить тепло от низкотемпературного источника к высокотемпературной системе с использованием минимального количества электрической энергии, насколько это возможно.

Геотермальные тепловые насосы «вода-вода» функционируют согласно первому закону термодинамики. Проще говоря, в установившемся режиме общая энергия, поступающая в тепловой насос, равна общей энергии, выходящей из этого теплового насоса.

Некоторая энергия поступает в виде низкотемпературного тепла от «источника», то есть контура грунта, грунтовых вод и так далее. Энергия также поступает в тепловой насос в виде электричества для привода компрессора. Эти два потока ввода энергии всегда складываются вместе, образуя поток вывода энергии, который передается потоку воды, протекающему через конденсатор теплового насоса.

Имея дело с котлами, часто обсуждается тепловая эффективность. Это отношение тепловой мощности к теплотворной способности потребляемого топлива. Чем она выше, тем лучше, но ни один котел, использующий сжигание, никогда не будет соответствовать или превышать 100% тепловой эффективности.

В тепловых насосах показатель эффективности определяется коэффициентом энергоэффективности, или сокращенно COP. COP - это отношение мощности тепловыделения теплового насоса для обогрева к мощности потребляемой электрической энергии для его работы. COP водяного теплового насоса очень зависит от текущих рабочих условий (например, от температуры воды на входе и скорости потока, а также от температуры воды, возвращающейся в тепловой насос от нагрузки).

COP теплового насоса быстро падает по мере снижения температуры исходной среды, из которой извлекается тепло. Он также падает при повышении температуры, с которой работает нагрузка. Поэтому, низкотемпературные нагревательные приборы, например, пол с подогревом, хорошо подходят для геотермального теплового насоса «вода-вода».

Также важно понимать, что перечисленные данные COP для водяных тепловых насосов могут включать или не включать учет электрической мощности, необходимой для работы циркуляционных насосов, посредством которых осуществляется движение теплоносителя через испаритель и конденсатор. Если данные COP основаны на стандартах ANSI/AHRI/ASHRAE/ISO 13256-2, то они обычно учитывают потребляемую мощность циркуляционного насоса на стороне источника низкопотенциальной энергии.

Однако расчеты, используемые в этом стандарте, не учитывают мощность циркуляционного насоса, используемого на стороне нагрузки. Если необходимо рассчитать действительный COP теплового насоса, включая оба циркуляционных насоса, то необходимо добавить их мощность к потребляемой мощности самого теплового насоса и использовать эту общую мощность для вычисления COP.

Если известны параметры любых двух из трех потоков энергии, присутствующих в работающем тепловом насосе, третий поток энергии можно определить простым сложением или вычитанием. Например, если необходимо узнать тепловую мощность геотермального теплового насоса, можно определить тепловую мощность, поступающую к тепловому насосу от исходного источника, и прибавить ее к мощности подачи электрической энергии для работы устройства. Для геотермального теплового насоса типа «вода-вода» можно также измерить скорость потока и изменение температуры воды, проходящей через конденсатор, и напрямую рассчитать скорость подачи тепла.

Получение точных значений при измерении температуры (в пределах +/- 0,05 °С) возможно с помощью современных профессиональных приборов, в которых используются термопреобразователи сопротивления, терморезисторы или термопары. Инфракрасный термометр не поможет, он недостаточно точен для измеряемого узкого температурного диапазона.

Получение скоростей потока обычно представляется более сложной задачей, чем получение точных температур. Если в системе установлен точный расходомер, установленный либо в контуре заземления, либо в гидравлической распределительной системе, получить показание расхода будет несложно.

«Непрямой» способ оценки скорости потока использует специальные фитинги, называемые «пробками Пита». Эти устройства обычно устанавливаются на соединениях источника с испарителем. Они позволяют временно вводить узкий датчик температуры или датчик давления через неопреновую прокладку. Когда зонд снят, прокладка самовосстанавливается. Чтобы предотвратить появление любых капель, когда щуп не вставлен, сверху навинчивается латунный колпачок.

Как только падение давления в змеевике испарителя станет известно, соответствующий расход можно оценить по графику, предоставленному производителем теплового насоса. Этот метод прост и относительно недорог, но не так точен, как считывание расхода непосредственно с качественного расходомера. Тем не менее, это эффективный метод оценки производительности в полевых условиях.

Оценки мощности теплового насоса необходима, чтобы убедиться, что устройство работает достаточно близко к его номинальной производительности, указанной в технических характеристиках. Значительное отличие показателей может указывать на необходимость проведения дополнительной диагностики системы. Если пользователь заинтересован в применении этого источников тепла, необходимо знать, как проверить его работу.

Источник: PM Engineer Magazine