Труба для грунтового теплообменника
Грунтовый теплообменник своими руками – изготовление
Грунтовый теплообменник своими руками – изготовление
Есть несколько разновидностей грунтовых теплообменников способы использоваться на данный момент. Возможность обустройства собственноручно, прекрасная эффективность, а еще конструктивная простота сделала такой тип вентиляции самым популярным в обустройстве частного дома.
На данный момент на 100% известно, что на территории всех СНГ стран температура земли на глубине примерно 2 метра остается почти неизменной.
На протяжении целого года примерная температура земли составляет +11 градусов. Малые изменения наблюдается в зависимости от региона, но они просто не больше +2 градусов.
Общие сведения
Описание системы
Установка теплообменников грунтового типа подразумевает под собой применении такой даровой энергии. Получается, весной/летом эта вентиляция будет делать воздух холодным внутри помещения, а в зимнее время, наоборот, подогревать его. Более того, дополнительное тепло помогает сберечь температуру, которая будет создаваться за счет остальных элементов обогревания. На данный момент грунтовой обменник тепла чаще всего применяют вместе с рекуператором. Это теплообменное устройство, которое требуется для нагревания прохладного воздуха благодаря вытяжному теплу. Более того, в его систему входят фильтры, вентиляторы, трубопровод и нагревательное устройство.
Применение системы
Подобная схема грунтового теплового обменника дает возможность получать воздух из земли уже несколько нагретым, что помогает экономить определенное количество энергии, которое уйдет на работу рекуператора. Наличие подобной системы воздуха для нагревания помогает еще и сэкономить электрическую энергию и рекуператорную конструкцию. В таком случае будет иметься в виде, что внутри трубопровода не будет появляться конденсат, потому что температурный уровень воздуха, который будет идти по трубам, будет постоянно примерно одинаковой. Проблема с конденсатом может появиться лишь в том случае, когда в работе будет включаться рекуператор, но при этом в него будет попадать изначально холодный и морозный воздух.
Воздействия климата на вентиляцию
Эффективность устройства для вентиляции очень сильно будет зависеть от климатических особенностей, которые наблюдаются в регионе. Если говорить про климат на территории стран, то установка теплового обменника помогает в подогревании или охлаждении воздуха примерно от +6 до +21 градусов. Коэффициент полезного действия самой системы будет в полной мере зависеть от того, насколько большая температурная разница между воздухом или грунтом. Чем больше будет разница, тем эффективнее будет система. Из-за такого эффекта устройство для вентиляции помещения будет эффективным средством и летом, и зимой. При жаре система помогает обеспечивать уменьшение температуры с +31 до +21 градусов. В морозное время года температура способна увеличиваться с -20 градусов до нуля.
При расчете устройства для вентиляции следует брать во внимание и то, что осенью и весной воздействие такой вентиляции на температуру почти отсутствует. Это будет обусловлено тем, что температурный уровень воздуха и земли очень близкие по назначению, из-за чего воздушный обмен сильно замедляется. В определенных случаях такая система может вообще работать при отрицательном режиме. Например, температура в комнате будет равна +12 градусов, а наличие устройства уменьшит ее до +8 градусов. Если брать во внимание такой факт, требуется обустроить грунтовое устройство своими руками так, чтобы его можно отключить или даже перекрывать для идеального прохождения воздуха.
Главные виды системы
Сейчас известно о двух типах системы – бесканальный и трубный грунтовый теплообменник для отопления. при обустройство первого типа системы будет использоваться слой подземного типа, через который сможет просачиваться воздух. Трубный тип имеет в виду наличие труб для установки грунтового устройства, по которым будет идти воздух. Они должны быть уложены еще и под землей. Эти два типа объединяет то, что основной отводящий канал обязательно должен быть соединен с вентиляционной системой. Основным требованием, о котором важно помнить, будет то, что в системе должен быть механизм, который позволяет перескакивать между обоими режимами. При первом будет применен прямой воздушный приток с улицы, при втором рабочем режиме будет применен тепловой обменник.
Теплообменник канального типа
При выборе между грунтовыми воздушными тепловыми обменниками для частных домов лучше выбирать именно такой вариант. Он, естественно, требует куда больше средств и времени, но еще и будет более эффективным. Для того, чтобы сделать такой тип вентиляции, требуется укладывать систему труб в траншею, которая подготовлена в земле. В среднем же длина труб будет равна от 15 до 50 метров. Подбор будет зависеть от площади и возможностей. Тут требуется помнить о том, что трубы для теплообменника грунтовочного типа могут поворачиваться, потому что это почти не воздействует на движение воздуха. Более того, чем длиннее получится система, тем лучше она будет работать, что тоже важно учесть. Обустройство короткого устройства нецелесообразно.
Подбор труб для укладки
Как уже было оговорено ранее, для эффективного применения система она должна быть большой длины. Если площадь участка вокруг строения позволяет, то можно укладывать лишь одну трубу по периметру дома. если площадь ограничена, можно использовать параллельную укладку, и диаметр труб для нормальной работы системы должен быть от 20 до 25 см. Прекрасный выбор – полипропиленовые трубы, и при выполнении расчетов грунтового устройства требуется знать еще и о том, что можно улучшать процесс теплового обмена, если уменьшать толщину стенок и увеличивать их площадь. Исходя из такого можно применять гофрированный материал. В этом случае тепло совсем не будет застаиваться в системе грунта, и еще крайне важно обустраивать наклон системы примерно на 2%. Маленький уклон в таком случае необходимый, чтобы конденсат, который образуется в жаркую погоду, смог стекать без проблем.
Сток и остальные системные элементы
Для того, чтобы эффективно убирать конденсат из системы, требуется оборудовать трубопровод не просто уклоном, а еще создавать маленькое отверстие на нижней трубной отметке. Для стока жидкости требуется обустроить колодец дренажного типа или делать вывод в землю. Если на участке будет наблюдаться низкий уровень грунтовой воды, требуется обустройство подушки из песка для системы. Конец трубы, который будет расположен на участке, должен иметь фильтр. Кроме того, он должен быть поставлен выше уровня снега, который выпадет в зимнее время. При обустройство теплового обменника собственноручно требуется знать, что если в регионе снег – редкое явление, то высота трубы, которая будет выступать над поверхностью земли, должна быть не меньше 1.5 метров.
Это требуется сделать в роли защиты от радона – почвенного радиоактивного газа.
На конец трубы должен быть установлен заборник воздуха. Этот элемент еще должен иметь фильтр и прочную металлическую сетку. Конец трубы должен быть поставлен и защищен так, чтобы в него не попадали осадки, листочки, а еще не могли попадать никакие птицы, животные и прочее. Если есть возможность, то такой элемент устанавливают как можно дальше от всех источников, которые способы воздействовать на качество воздуха, и минимальное удаление – 10 метров.
Бесканальная разновидность
Для того, чтобы собственноручно обустраивать такой тип теплового обменника, требуется выкапывать углубление, протяженность которого должна быть 3-4 метра, а глубина 0.8 метра. Более того, такой котлован должен быть наполнен посредством гравия, а сверху прикрыт пенобетонным покрытием. Эта конструкция требуется для того, чтобы температура внутри котлована не отличается от температуры грунта на углублении до 5 метров. После того, как этот этап будет пройден, требуется обустраивать вывод трубы, по которой будет проходить воздух. Что касательно изготовления такой трубы, то этот процесс ничем не будет отличаться от изготовления его в прошлом варианте. Естественно, вторая труба должна соединять особый теплообменный слой котлована и вентиляцию частного дома. после этого воздушная циркуляция начнется по самой простой схеме, и более того, воздух будет не просто увлажняться, а еще и очищаться. Исходя из этого можно утверждать, что бесканальный тип куда лучше в плане фильтрации, а трубный лучше для охлаждения/подогрева.
Системные особенности
Воздушный грунтовый теплообменник гравийного типа характеризуется тем, что он нуждается в восстановлении своих функций. Более того, устанавливать его запрещено в тех местах, где есть воздействие внешних нагрузок, например, в месте проезда транспорта. Еще одна особенность будет заключаться в том, что если гравий, который нужен для укладки, не промывать, то после обустройства системы и начала воздушной циркуляции в помещении может появиться неприятный затхлый аромат. Та же проблема появляется и в том случае, если слой гравия намокает из-за осадков или подъема грунтовых вод.
Если повредить поверхностный слой этого обменника, то это приведет к уменьшению его эффективности, а еще к возможному насыщению влаги. Все это будет требовать проведения ремонтных работ. При обустройстве своими руками именно этого устройства следует знать то, что слой гравия является и теплообменным пунктом, и препятствием для прохождения воздуха. Из-за этого в системе нужна установить дополнительный источник для нагнетания воздуха – вентилятор с большой мощностью (несколько сот Ватт). Естественно, что это лишние траты на покупку и монтаж, и на дальнейшую оплату по счетам. И-за этого требуется тщательно проводить расчет системы, и добавим, что расчеты жидкостного теплового обменника немного проще, чем у гравийного, хотя его обустройства и конструкция куда сложнее.
Безмембранный тип
На сегодняшний день появились такие виды грунтовых устройств, а именно безмембранные. Они представляют собой комбинацию из двух старых типов систем. Основной сутью такого устройства будет то, что требуется смонтировать ровный слой полимерных плит поверх идеально ровного гравийного слоя.
Читайте так же: Трубы в стену или за гипсокартон
Установка системы
Плиты требуется смонтировать на ножках, которые будут опираться на слой гравия. Получается, что воздух будет двигаться не сквозь гравийного слоя, как при бесканальном типе, а между слоем гравия и плит. Особенное преимущество в том, что применять такой тепловой обменник можно на протяжении длительного времени без регенерации слоя гравия. Обычный слой гравия может работать по 12 часов, а после требуется 12 часов «отдыха». При таком отдыхе слой гравия будет забирать тепло у грунта, чтобы после передать его в вентиляцию. При применении плит такие рамки сильно упрощаются.
Еще одним отличием ГТО без мембран заключается в том, что будет отсутствовать сильное препятствие воздушной циркуляции.
При бесканальном виде обменнике гравий будет являться естественным препятствием потоку воздуха, из-за этого потребуется оборудовать систему дополнительным вентилятором. Основной проблемой применения такого теплового обменника для вентиляции будет то, что система не сплошная, а потому использовать ее в полной мере запрещено в тех регионах, где наблюдается повышенный уровень грунтовых вод, или имеется шанс того, что систему затопит осадками.
Подземелье и тепло, или грунтовый трубопровод как источник отопления
Есть два варианта экономить на обогреве. Первый — это снижение притока свежего воздуха ценой ухудшения домашнего микроклимата, второй — снизить количество тепловых затрат для подогрева поступающего наружного воздуха. Использование энергии грунта — это способ значительно сэкономить на обогреве и охлаждении вентиляционного воздуха. Как и почему — расскажем в этой статье!
Грунтовый теплообменник — что это такое и как используется?
Грунтовый теплообменник – теплообменник подземного типа, способный улавливать тепло из грунта и/или рассеивать его там. Они используют практически неизменную подземную температуру планеты для нагревания или охлаждения воздуха или других текучих сред с целью применения в жилом, аграрном или промышленном секторе.
Если воздух в здании проходит через теплообменники с целью теплоутилизации, в Европе их называют подземными трубопроводами (они же – нагревательные и охладительные подземные трубопроводы), а в Северной Америке – грунтово-воздушными теплообменниками (ГВТ). Эти системы известны под рядом других названий, среди которых – воздушно-почвенный теплообменник, грунтовые каналы, грунтовые канавы, грунтово-воздушные туннельные системы, подземный трубчатый теплообменник, гипокаусты, грунтовые теплообменники, тепловые лабиринты, подземные вентиляционные трубы и так далее.
Подземные трубопроводы зачастую выступают практически осуществимой и экономичной альтернативой или дополнением к стандартным системам центрального отопления или воздушного кондиционирования, так как у них отсутствуют компрессоры, химикаты и горелки, а для движения воздуха требуются только вентиляторы. Они используются как для частичного, так и для полного охлаждения и/или нагревания воздуха, подающегося в здание через вентиляторы.
Их применение может помочь зданиям соответствовать стандартам Пассивного дома или сертификации Руководства по энергоэффективному и экологическому проектированию.
Грунтово-воздушные теплообменники использовались на аграрных (животноводческих постройках) и садоводческих предприятиях (теплицах) в США последние несколько десятилетий, а вместе с солнечной вытяжной трубой в жарких сухих регионах – в течение тысячелетий, начиная, вероятно, со времен Персидской империи. Разработка этих систем в Австрии, Дании, Германии и Индии стало достаточно распространенной, начиная с середины 1990-х, и постепенно принимается в Северной Америке.
Грунтовый теплообменник также может использовать воду или антифриз в качестве теплообменной среды, часто – вместе с геотермальным тепловым насосом.
Как устроен грунтовый теплообменник?
Характеристики грунтово-воздушных подземных теплообменников можно проанализировать с помощью нескольких программ, использующих данные барометров. Среди этих программ – «GAEA», «AWADUKT Thermo», «EnergyPlus», «L-EWTSim», «WKM», и другие. Однако многочисленные системы грунтовых теплообменников были разработаны и построены неправильно и не смогли соответствовать ожиданиям разработчиков. Грунтовые теплообменники оказались больше приспособленными для предварительной очистки воздуха, чем для его полного нагревания или охлаждения.
Предварительная очистка воздуха для теплового насоса, использующего теплоту воздуха, или геотермального теплового насоса часто обеспечивает наивысший доход на инвестицию, проще говоря, окупаемость часто происходит уже через год после установки.
Большинство систем обычно строят из труб с гладкой оболочкой (что усложняет падание конденсата или частиц грунта), из жесткой или полужесткой пластмассы, плакированных пластмассой металлических труб или пластиковых труб с внутренним антибактериальным слоем диаметром от 100 (3,9 дюйма) до 600 (23,6 дюйма) мм, закопанных на глубине от 1,5 м (4,9 фт) до 3 (9,8 фт), где температура окружающей среды чаще всего составляет от 10 C (50 F) до 23 C (73 F) в течение года в тех условиях, где живет большая часть людей. С ростом глубины температура грунта становится более постоянной.
Трубы меньшего диаметра требуют больше энергии для передвижения воздуха и имеют меньшую площадь контакта с поверхностью. Трубы большего диаметра позволяют обеспечить более медленный поток воздуха, что также делает перемещение энергии эффективнее и позволяет перемещать ее в больших объемах, обеспечивая лучший обмен воздуха за более короткий промежуток времени, когда, например, вы хотите очистить здание от неприятных запахов или дыма, но страдаете от худшего теплообмена между стенкой трубы и воздухом из-за увеличенных расстояний.
Некоторые предполагают, что эффективнее будет пропустить воздух через длинную трубу, чем подать его через вентилятор. Солнечная вытяжная труба может использовать естественную конвекцию (подъем теплого воздуха) для создания вакуума и перемещения воздуха, отфильтрованного через пассивную трубу охлаждения, по охлаждающим трубам большего диаметра. Естественная конвекция может быть медленнее в сравнении с вентилятором на солнечной энергии.
При создании трубы стоит избегать острых углов в 90 градусов, так как два поворота под углом в 45 градусов будут производить меньший по турбулентности и больший по эффективности поток воздуха. Хоть гладкостенные трубы гораздо эффективнее в передвижении воздуха, в плане перемещения энергии их эффективность ниже. Существует три конфигурации системы: замкнутая петля, открытая система а-ля «свежий воздух» и комбинированная:
- Замкнутая петля: воздух из здания или постройки проходит через подковообразную петлю из труб диаметром от 30 (98 фт) до 150 (492 фт) метров, где он смягчается до температур, близких к земным, прежде чем вернуться и распространиться через сеть воздуховодов в здание или постройку. Замкнутая система может быть эффективнее (при предельных температурах воздуха), чем открытая система, так как она охлаждает и доохлаждает один и тот же воздух.
- Открытая система: воздух выпускается из приемника фильтрованного воздуха (рекомендуемая минимальная величина, описывающая эффективность воздушного фильтра – 8+). Охлаждающие трубы – это, как правило 30-метровые (98 фт) прямые трубы, подведенные к дому. Открытая система в сочетании с рекуперацией может достигать КПД, сравнимого с аналогичной величиной замкнутой системы (80-95 %), и обеспечивать фильтрацию и смягчение подаваемого воздуха.
- Комбинированная система: она может быть построена с заслонками, которые позволят работать в открытом или замкнутом режимах в зависимости от потребностей в вентиляции свежего воздуха. Такой концепт даже при работе в замкнутом режиме смог бы обеспечить свежий воздух даже в случае падения атмосферного давления, создаваемого солнечной вытяжной трубой, сушильной машинкой для одежды, камином, вытяжками на кухне или в ванной. Лучше подавать фильтрованный воздух из пассивной охлаждающей трубы, чем неподходящий воздух снаружи.
Читайте так же: Гофрированная труба из нержавейки в минске
Однопроходные грунтово-воздушные теплообменники предлагают возможность для улучшения качества воздуха в помещении помимо традиционных систем за счет увеличенного объема поставки воздуха снаружи. В некоторых конфигурациях однопроходных систем обеспечивается непрерывный поток воздуха снаружи. Этот тип систем может обычно включать одну или несколько вентиляционных теплоизоляционных установок.
Тепловые лабиринты
Тепловые лабиринты выполняют те же функции, что и подземные трубопроводы, но, как правило, они создаются в прямом объемном прямолинейном пространстве, иногда они встроены в подвалы или подземные этажи зданий, и, в свою очередь, разделены многочисленными внутренними перегородками, чтобы создать запутанные вентиляционные каналы. Максимизация длины каналов позволяет добиться лучшего эффекта передачи тепла. Постройка стен лабиринта, перекрытий и перегородок, как правило, подразумевает использование высокотемпературной бетонной массы и бетонных блоков, а внешние наружные стены и полы находятся в прямом контакте с окружающей почвой.
Безопасность
Если влажность и последующее скопление грунта не предполагаются в разработке системы, жители могут столкнуться с рисками для здоровья. В некоторых местах влажность в подземных трубопроводах можно контролировать просто за счет пассивного дренажа, если уровень грунтовых вод достаточно глубок, а почва обладает относительно высокой проницаемостью. В случаях, где пассивный дренаж невозможен или требует большего количества удаленной влаги, для обработки воздушного потока могут использоваться активные (осушитель) и пассивные (влагопоглотитель) системы.
Официальные исследования показывают, что грунтово-воздушные теплообменники уменьшают загрязнение воздуха, подаваемого в здание через вентиляцию.
Рабинда Бхаттарай (2004 год) утверждает: «Туннель [грунтово-воздушный теплообменник] оказался не способным поддерживаь рост бактерий и грибков; более того, было обнаружено уменьшение количества бактерий и грибков, следовательно – большую безопасность для вдыхания людей. Вследствие этого становится ясно, что использование ГВТ [грунтово-воздушных туннелей] не только помогает сохранить энергию, но и уменьшить загрязнение воздуха за счет уменьшение числа бактерий и грибков».
Так же, Флюкигер в исследовании (1999 год) двенадцати грунтово-воздушных теплообменников, отличающихся в плане дизайна, материалов труб, размер и срока, утверждает: «Это исследование было проведено из-за проблем потенциального роста микробов в закопанных трубах грунтово-воздушных систем. Однако результаты показывают, что роста вредоносных бактерий не происходит, а значит, концентрация жизнеспособных спор и бактерий, за редкими исключениями, даже падает после прохождения через трубопровод», дальше утверждает,
«Основанная на этих исследованиях работа грунтовых теплообменников допустима до тех пор, пока над ним происходит контроль и при доступности очистительных сооружений».
Вне зависимости от использования антибактериальных материалов на подземных трубопроводах, крайне важно то, что подземные охлаждающие трубы обладают отличным дренажом конденсата, и могут устанавливаться в 2-3 ступени, чтобы обеспечить постоянное удаление конденсированной воды из труб. При применении в доме без подвала на плоском участке, конденсационная башня может быть установлена на глубине меньшей, чем точка захода труб в дом, и в точке, близкой к входу в стену.
Установка конденсационной башни требует использование дополнительного конденсационного насоса, удаляющего воду из башни. Для установки системы в домах с подвалами, трубы располагаются так, что установка для высушивания конденсата устанавливается в самой низкой точке дома. Как бы там ни было, труба должна быть постоянно наклонена либо к конденсационной башне, либо к системе откачки конденсата.
Внутренняя поверхность трубы, в том числе – стыки, должны быть гладкими, чтобы не препятствовать току и удалению конденсата. Гофрированные или ребристые трубы и грубые внутренние сочленения не должны использоваться. Сочленения, соединяющие трубы, должны быть достаточно плотными для предотвращения просачивания воды или газа. В определенных географических регионов, важно, чтобы сочленения не пропускали газообразный радон. Не могут использоваться пористые материалы, типа непокрытых бетонных труб.
В идеале в строениях должны использоваться подземные трубопроводы с антибактериальными внутренними слоями для предотвращения потенциального роста грибков и бактерий внутри труб.
Эффективность
Использование грунтово-воздушных теплообменников как для частичного, так и для полного охлаждения и/или нагревания воздуха, вентилируемого в помещении, проходило с переменным успехом. К сожалению, литература переполнена чрезмерными обобщениями о «плюсах» и «минусах» применимости этих систем. Ключевым аспектом грунтово-воздушных теплообменников является пассивная природа работы и возможность применения в широком спектре природных условий.
Грунтово-воздушные теплообменники могут быть крайне рентабельными как в отношении предварительных, так и капитальных затрат, а также долговечными и дешевыми в обслуживании. Однако это сильно зависит от широты местности, высоты над уровнем моря, температуры окружающей среды, максимумов климатической температуры и относительной влажности, солнечной радиации, уровня воды, типа почвы (теплопроводности), содержания влажности в почве и внешнего проектирования системы или ее изоляции. В основном сухая почва с низкой плотностью, малым количеством или полностью отсутствующим слоем грунта может принести меньше всего выгод, хотя плотная влажная почва со значительным слоем грунта должно улучшить характеристики системы.
Система замедленного дренажа конденсата может улучшить тепловые характеристики. Влажная почва в контакте с охлаждающими трубами будет проводить тепло гораздо эффективнее, чем сухая почва.
Подземные охлаждающие трубы гораздо менее эффективны в жарком влажном климате (как во Флориде), где температура окружающей среды приближается к комфортной для людей температуре. Чем выше температура окружающей среды, тем менее эффективна система для охлаждения и осушения воздуха. Однако, почва может использоваться для частичного охлаждения и осушения заменяемого воздуха, поступающего в термическую буферную зону с пассивной солнечной подпиткой, например, в прачечной или террасе/теплице, особенно – в тех зонах, где есть купель, плавательная спа-зона или внутренний плавательный бассейн, где теплый влажный воздух извлекается летом, и требуется более холодный и сухой компенсационный воздух.
Не для всех регионов и мест пригодны грунтово-воздушные теплообменники. Среди условий, которые могут препятствовать правильному использованию систем – поверхностная скальная порода, высокий уровень воды и неподходящее пространство. В частности, в некоторых районах должна быть обеспечена тепловая перезарядка почвы. В бифункциональных системах (как нагревания, так и охлаждения) теплое время года обеспечивает тепловую перезарядку почвы для холодного сезона, а холодный сезон обеспечивает тепловую перезарядку почвы для теплого сезона, хотя даже для них стоит предусматривать вариант перегрузки теплового резервуара.
«Renata Limited» — выдающаяся фармацевтическая компания в Бангладеш проверила пилотный проект, пытающийся обнаружить, можно ли использовать туннельный грунтово-воздушный теплообменник в качестве дополнения к традиционной системе кондиционирования воздуха. Бетонные трубы с общей длиной в 60 футов (около 18,25 м), внутренним диаметром в 9 дюймов (около 23 см) и внешним диаметром в 11 дюймов (около 28 см) были закопаны на глубине в 9 футов (около 2,75 м) под землей, использовался вентилятор с расчетной мощностью 1,5 кВт.
Подземная температура на глубине оставалась на уровне в 28 C. Средняя скорость движения воздуха в туннеле составляла около 5 м/с. КПД подземного теплообменника, созданного таким образом, было малым и составляло от 1,5 до 3 ед. Результаты убедили власти, что в жарком и влажном климате неблагоразумно воплощать на практике концепт грунтово-воздушного теплообменника. Вторичный холодоноситель (сам грунт) изменяет температуру окружающей среды, что является главной причиной провала подобных принципов в жарких, влажных регионах (части Юго-Восточной Азии, американский штат Флорида и так далее).
Однако исследователи из Британии и Турции докладывали о чрезвычайно высоком КПД, превышающем 20 единиц. Температура под землей кажется самым важным показателем для проектирования грунтово-воздушного теплообменника.
Влияние на окружающую среду
В контексте современного уменьшения объемов ископаемого топлива, роста цен на электроэнергию, загрязнения воздуха и глобального потепления, правильно разработанные подземные охлаждающие трубы предлагают устойчивую альтернативу для сокращения или полного удаления потребности в традиционных системах кондиционирования воздуха на основе компрессоров, в частности – в нетропическом климате. Они также обеспечивают дополнительную выгоду в виде контролируемого, отфильтрованного и смягченного потока свежего воздуха, который особенно ценен в небольших, герметичных и эффективных строениях.
От воды к земле
Альтернативой грунтово-воздушным теплообменником является «водно»-грунтовый теплообменник. Как правило, он схож с геотермальным тепловым насосом за счет трубопровода, проложенного в почве горизонтально (хотя может быть и вертикальный зонд) на глубине, схожей с аналогичной величиной для грунтово-воздушного теплообменника. Он использует трубу длиной примерно вдвое больше обычной при диаметре в 35 мм, к примеру 80 метров, в сравнению с ГВТ длиной в 40 метров. Катушка теплообменника располагается перед вытяжным отверстием вентилятора-теплоутилизатора. В качестве жидкость теплообменника, как правило, используется жидкий охлаждающий солевой раствор (сильно посоленная вода).
Многие европейские постройки сейчас используют эту систему из-за простоты установки. Не требуется никакой точки дренажа, также это – безопасно из-за пониженного риска просачивания почвы.
Подземелье и тепло, или грунтовый трубопровод как источник отопления
Есть два варианта экономить на обогреве. Первый — это снижение притока свежего воздуха ценой ухудшения домашнего микроклимата, второй — снизить количество тепловых затрат для подогрева поступающего наружного воздуха. Использование энергии грунта — это способ значительно сэкономить на обогреве и охлаждении вентиляционного воздуха. Как и почему — расскажем в этой статье!
Грунтовый теплообменник — что это такое и как используется?
Грунтовый теплообменник – теплообменник подземного типа, способный улавливать тепло из грунта и/или рассеивать его там. Они используют практически неизменную подземную температуру планеты для нагревания или охлаждения воздуха или других текучих сред с целью применения в жилом, аграрном или промышленном секторе.
Если воздух в здании проходит через теплообменники с целью теплоутилизации, в Европе их называют подземными трубопроводами (они же – нагревательные и охладительные подземные трубопроводы), а в Северной Америке – грунтово-воздушными теплообменниками (ГВТ). Эти системы известны под рядом других названий, среди которых – воздушно-почвенный теплообменник, грунтовые каналы, грунтовые канавы, грунтово-воздушные туннельные системы, подземный трубчатый теплообменник, гипокаусты, грунтовые теплообменники, тепловые лабиринты, подземные вентиляционные трубы и так далее.
Подземные трубопроводы зачастую выступают практически осуществимой и экономичной альтернативой или дополнением к стандартным системам центрального отопления или воздушного кондиционирования, так как у них отсутствуют компрессоры, химикаты и горелки, а для движения воздуха требуются только вентиляторы. Они используются как для частичного, так и для полного охлаждения и/или нагревания воздуха, подающегося в здание через вентиляторы.
Их применение может помочь зданиям соответствовать стандартам Пассивного дома или сертификации Руководства по энергоэффективному и экологическому проектированию.
Грунтово-воздушные теплообменники использовались на аграрных (животноводческих постройках) и садоводческих предприятиях (теплицах) в США последние несколько десятилетий, а вместе с солнечной вытяжной трубой в жарких сухих регионах – в течение тысячелетий, начиная, вероятно, со времен Персидской империи. Разработка этих систем в Австрии, Дании, Германии и Индии стало достаточно распространенной, начиная с середины 1990-х, и постепенно принимается в Северной Америке.
Грунтовый теплообменник также может использовать воду или антифриз в качестве теплообменной среды, часто – вместе с геотермальным тепловым насосом.
Как устроен грунтовый теплообменник?
Характеристики грунтово-воздушных подземных теплообменников можно проанализировать с помощью нескольких программ, использующих данные барометров. Среди этих программ – «GAEA», «AWADUKT Thermo», «EnergyPlus», «L-EWTSim», «WKM», и другие. Однако многочисленные системы грунтовых теплообменников были разработаны и построены неправильно и не смогли соответствовать ожиданиям разработчиков. Грунтовые теплообменники оказались больше приспособленными для предварительной очистки воздуха, чем для его полного нагревания или охлаждения.
Предварительная очистка воздуха для теплового насоса, использующего теплоту воздуха, или геотермального теплового насоса часто обеспечивает наивысший доход на инвестицию, проще говоря, окупаемость часто происходит уже через год после установки.
Большинство систем обычно строят из труб с гладкой оболочкой (что усложняет падание конденсата или частиц грунта), из жесткой или полужесткой пластмассы, плакированных пластмассой металлических труб или пластиковых труб с внутренним антибактериальным слоем диаметром от 100 (3,9 дюйма) до 600 (23,6 дюйма) мм, закопанных на глубине от 1,5 м (4,9 фт) до 3 (9,8 фт), где температура окружающей среды чаще всего составляет от 10 C (50 F) до 23 C (73 F) в течение года в тех условиях, где живет большая часть людей. С ростом глубины температура грунта становится более постоянной.
Трубы меньшего диаметра требуют больше энергии для передвижения воздуха и имеют меньшую площадь контакта с поверхностью. Трубы большего диаметра позволяют обеспечить более медленный поток воздуха, что также делает перемещение энергии эффективнее и позволяет перемещать ее в больших объемах, обеспечивая лучший обмен воздуха за более короткий промежуток времени, когда, например, вы хотите очистить здание от неприятных запахов или дыма, но страдаете от худшего теплообмена между стенкой трубы и воздухом из-за увеличенных расстояний.
Некоторые предполагают, что эффективнее будет пропустить воздух через длинную трубу, чем подать его через вентилятор. Солнечная вытяжная труба может использовать естественную конвекцию (подъем теплого воздуха) для создания вакуума и перемещения воздуха, отфильтрованного через пассивную трубу охлаждения, по охлаждающим трубам большего диаметра. Естественная конвекция может быть медленнее в сравнении с вентилятором на солнечной энергии.
При создании трубы стоит избегать острых углов в 90 градусов, так как два поворота под углом в 45 градусов будут производить меньший по турбулентности и больший по эффективности поток воздуха. Хоть гладкостенные трубы гораздо эффективнее в передвижении воздуха, в плане перемещения энергии их эффективность ниже. Существует три конфигурации системы: замкнутая петля, открытая система а-ля «свежий воздух» и комбинированная:
- Замкнутая петля: воздух из здания или постройки проходит через подковообразную петлю из труб диаметром от 30 (98 фт) до 150 (492 фт) метров, где он смягчается до температур, близких к земным, прежде чем вернуться и распространиться через сеть воздуховодов в здание или постройку. Замкнутая система может быть эффективнее (при предельных температурах воздуха), чем открытая система, так как она охлаждает и доохлаждает один и тот же воздух.
- Открытая система: воздух выпускается из приемника фильтрованного воздуха (рекомендуемая минимальная величина, описывающая эффективность воздушного фильтра – 8+). Охлаждающие трубы – это, как правило 30-метровые (98 фт) прямые трубы, подведенные к дому. Открытая система в сочетании с рекуперацией может достигать КПД, сравнимого с аналогичной величиной замкнутой системы (80-95 %), и обеспечивать фильтрацию и смягчение подаваемого воздуха.
- Комбинированная система: она может быть построена с заслонками, которые позволят работать в открытом или замкнутом режимах в зависимости от потребностей в вентиляции свежего воздуха. Такой концепт даже при работе в замкнутом режиме смог бы обеспечить свежий воздух даже в случае падения атмосферного давления, создаваемого солнечной вытяжной трубой, сушильной машинкой для одежды, камином, вытяжками на кухне или в ванной. Лучше подавать фильтрованный воздух из пассивной охлаждающей трубы, чем неподходящий воздух снаружи.
Однопроходные грунтово-воздушные теплообменники предлагают возможность для улучшения качества воздуха в помещении помимо традиционных систем за счет увеличенного объема поставки воздуха снаружи. В некоторых конфигурациях однопроходных систем обеспечивается непрерывный поток воздуха снаружи. Этот тип систем может обычно включать одну или несколько вентиляционных теплоизоляционных установок.
Тепловые лабиринты
Тепловые лабиринты выполняют те же функции, что и подземные трубопроводы, но, как правило, они создаются в прямом объемном прямолинейном пространстве, иногда они встроены в подвалы или подземные этажи зданий, и, в свою очередь, разделены многочисленными внутренними перегородками, чтобы создать запутанные вентиляционные каналы. Максимизация длины каналов позволяет добиться лучшего эффекта передачи тепла. Постройка стен лабиринта, перекрытий и перегородок, как правило, подразумевает использование высокотемпературной бетонной массы и бетонных блоков, а внешние наружные стены и полы находятся в прямом контакте с окружающей почвой.
Безопасность
Если влажность и последующее скопление грунта не предполагаются в разработке системы, жители могут столкнуться с рисками для здоровья. В некоторых местах влажность в подземных трубопроводах можно контролировать просто за счет пассивного дренажа, если уровень грунтовых вод достаточно глубок, а почва обладает относительно высокой проницаемостью. В случаях, где пассивный дренаж невозможен или требует большего количества удаленной влаги, для обработки воздушного потока могут использоваться активные (осушитель) и пассивные (влагопоглотитель) системы.
Официальные исследования показывают, что грунтово-воздушные теплообменники уменьшают загрязнение воздуха, подаваемого в здание через вентиляцию.
Рабинда Бхаттарай (2004 год) утверждает: «Туннель [грунтово-воздушный теплообменник] оказался не способным поддерживаь рост бактерий и грибков; более того, было обнаружено уменьшение количества бактерий и грибков, следовательно – большую безопасность для вдыхания людей. Вследствие этого становится ясно, что использование ГВТ [грунтово-воздушных туннелей] не только помогает сохранить энергию, но и уменьшить загрязнение воздуха за счет уменьшение числа бактерий и грибков».
Так же, Флюкигер в исследовании (1999 год) двенадцати грунтово-воздушных теплообменников, отличающихся в плане дизайна, материалов труб, размер и срока, утверждает: «Это исследование было проведено из-за проблем потенциального роста микробов в закопанных трубах грунтово-воздушных систем. Однако результаты показывают, что роста вредоносных бактерий не происходит, а значит, концентрация жизнеспособных спор и бактерий, за редкими исключениями, даже падает после прохождения через трубопровод», дальше утверждает,
«Основанная на этих исследованиях работа грунтовых теплообменников допустима до тех пор, пока над ним происходит контроль и при доступности очистительных сооружений».
Вне зависимости от использования антибактериальных материалов на подземных трубопроводах, крайне важно то, что подземные охлаждающие трубы обладают отличным дренажом конденсата, и могут устанавливаться в 2-3 ступени, чтобы обеспечить постоянное удаление конденсированной воды из труб. При применении в доме без подвала на плоском участке, конденсационная башня может быть установлена на глубине меньшей, чем точка захода труб в дом, и в точке, близкой к входу в стену.
Установка конденсационной башни требует использование дополнительного конденсационного насоса, удаляющего воду из башни. Для установки системы в домах с подвалами, трубы располагаются так, что установка для высушивания конденсата устанавливается в самой низкой точке дома. Как бы там ни было, труба должна быть постоянно наклонена либо к конденсационной башне, либо к системе откачки конденсата.
Внутренняя поверхность трубы, в том числе – стыки, должны быть гладкими, чтобы не препятствовать току и удалению конденсата. Гофрированные или ребристые трубы и грубые внутренние сочленения не должны использоваться. Сочленения, соединяющие трубы, должны быть достаточно плотными для предотвращения просачивания воды или газа. В определенных географических регионов, важно, чтобы сочленения не пропускали газообразный радон. Не могут использоваться пористые материалы, типа непокрытых бетонных труб.
В идеале в строениях должны использоваться подземные трубопроводы с антибактериальными внутренними слоями для предотвращения потенциального роста грибков и бактерий внутри труб.
Эффективность
Использование грунтово-воздушных теплообменников как для частичного, так и для полного охлаждения и/или нагревания воздуха, вентилируемого в помещении, проходило с переменным успехом. К сожалению, литература переполнена чрезмерными обобщениями о «плюсах» и «минусах» применимости этих систем. Ключевым аспектом грунтово-воздушных теплообменников является пассивная природа работы и возможность применения в широком спектре природных условий.
Грунтово-воздушные теплообменники могут быть крайне рентабельными как в отношении предварительных, так и капитальных затрат, а также долговечными и дешевыми в обслуживании. Однако это сильно зависит от широты местности, высоты над уровнем моря, температуры окружающей среды, максимумов климатической температуры и относительной влажности, солнечной радиации, уровня воды, типа почвы (теплопроводности), содержания влажности в почве и внешнего проектирования системы или ее изоляции. В основном сухая почва с низкой плотностью, малым количеством или полностью отсутствующим слоем грунта может принести меньше всего выгод, хотя плотная влажная почва со значительным слоем грунта должно улучшить характеристики системы.
Система замедленного дренажа конденсата может улучшить тепловые характеристики. Влажная почва в контакте с охлаждающими трубами будет проводить тепло гораздо эффективнее, чем сухая почва.
Подземные охлаждающие трубы гораздо менее эффективны в жарком влажном климате (как во Флориде), где температура окружающей среды приближается к комфортной для людей температуре. Чем выше температура окружающей среды, тем менее эффективна система для охлаждения и осушения воздуха. Однако, почва может использоваться для частичного охлаждения и осушения заменяемого воздуха, поступающего в термическую буферную зону с пассивной солнечной подпиткой, например, в прачечной или террасе/теплице, особенно – в тех зонах, где есть купель, плавательная спа-зона или внутренний плавательный бассейн, где теплый влажный воздух извлекается летом, и требуется более холодный и сухой компенсационный воздух.
Не для всех регионов и мест пригодны грунтово-воздушные теплообменники. Среди условий, которые могут препятствовать правильному использованию систем – поверхностная скальная порода, высокий уровень воды и неподходящее пространство. В частности, в некоторых районах должна быть обеспечена тепловая перезарядка почвы. В бифункциональных системах (как нагревания, так и охлаждения) теплое время года обеспечивает тепловую перезарядку почвы для холодного сезона, а холодный сезон обеспечивает тепловую перезарядку почвы для теплого сезона, хотя даже для них стоит предусматривать вариант перегрузки теплового резервуара.
«Renata Limited» — выдающаяся фармацевтическая компания в Бангладеш проверила пилотный проект, пытающийся обнаружить, можно ли использовать туннельный грунтово-воздушный теплообменник в качестве дополнения к традиционной системе кондиционирования воздуха. Бетонные трубы с общей длиной в 60 футов (около 18,25 м), внутренним диаметром в 9 дюймов (около 23 см) и внешним диаметром в 11 дюймов (около 28 см) были закопаны на глубине в 9 футов (около 2,75 м) под землей, использовался вентилятор с расчетной мощностью 1,5 кВт.
Подземная температура на глубине оставалась на уровне в 28 C. Средняя скорость движения воздуха в туннеле составляла около 5 м/с. КПД подземного теплообменника, созданного таким образом, было малым и составляло от 1,5 до 3 ед. Результаты убедили власти, что в жарком и влажном климате неблагоразумно воплощать на практике концепт грунтово-воздушного теплообменника. Вторичный холодоноситель (сам грунт) изменяет температуру окружающей среды, что является главной причиной провала подобных принципов в жарких, влажных регионах (части Юго-Восточной Азии, американский штат Флорида и так далее).
Однако исследователи из Британии и Турции докладывали о чрезвычайно высоком КПД, превышающем 20 единиц. Температура под землей кажется самым важным показателем для проектирования грунтово-воздушного теплообменника.
Влияние на окружающую среду
В контексте современного уменьшения объемов ископаемого топлива, роста цен на электроэнергию, загрязнения воздуха и глобального потепления, правильно разработанные подземные охлаждающие трубы предлагают устойчивую альтернативу для сокращения или полного удаления потребности в традиционных системах кондиционирования воздуха на основе компрессоров, в частности – в нетропическом климате. Они также обеспечивают дополнительную выгоду в виде контролируемого, отфильтрованного и смягченного потока свежего воздуха, который особенно ценен в небольших, герметичных и эффективных строениях.
От воды к земле
Альтернативой грунтово-воздушным теплообменником является «водно»-грунтовый теплообменник. Как правило, он схож с геотермальным тепловым насосом за счет трубопровода, проложенного в почве горизонтально (хотя может быть и вертикальный зонд) на глубине, схожей с аналогичной величиной для грунтово-воздушного теплообменника. Он использует трубу длиной примерно вдвое больше обычной при диаметре в 35 мм, к примеру 80 метров, в сравнению с ГВТ длиной в 40 метров. Катушка теплообменника располагается перед вытяжным отверстием вентилятора-теплоутилизатора. В качестве жидкость теплообменника, как правило, используется жидкий охлаждающий солевой раствор (сильно посоленная вода).
Многие европейские постройки сейчас используют эту систему из-за простоты установки. Не требуется никакой точки дренажа, также это – безопасно из-за пониженного риска просачивания почвы.
Внешний контур теплового насоса
Грунт аккумулирует солнечную энергию и круглый год подогревается от земного ядра. При этом он всегда способен отдавать тепло вне зависимости от погоды.
Содержание
Обоснование использования земного тепла для отопления
На глубине уже 5–7 м температура практически постоянна в течение всего года. Для средней полосы России она составляет 5–8°С. Это очень подходящие условия для работы теплового насоса. Более того, в верхних слоях земли минимум температуры достигается на пару месяцев позже пика морозов — нужда в интенсивном обогреве к этому времени уменьшается. В целом же грунт довольно надёжно поставляет калории.
Принцип отбора земного тепла
Необходимая энергия собирается теплообменником, заглублённым в землю, и аккумулируется в носителе, который затем насосом подаётся в испаритель теплового насоса и возвращается за новой порцией тепла. В качестве такого переносчика энергии используют незамерзающую экологически безвредную жидкость (её называют также «рассолом» или антифризом). Это может быть 30% водный раствор этиленгликоля или пропиленгликоля.
Схемы укладки труб грунтового коллектора
Грунтовый коллектор (горизонтальный) представляет собой длинную трубу, горизонтально уложенную под слоем грунта. Главное достоинство — универсальность и простота монтажа. Нашел свободную площадку — рой канавки и укладывай. Недостаток — большая потребная площадь под коллектор — 25–50 м² на 1 кВт мощности (причём площадку можно использовать только под газон или однолетние цветы).
Существуют разные схемы раскладки труб: петля, змейка, зигзаг, плоские и винтовые спирали разных форм и т. п. Выбор определяется теплопроводностью грунта и геометрией участка. При этом следует учитывать то, что производительность отбора тепла больше на увлажнённых суглинках и меньше на сухих песчаных участках. В среднем 1 м² поверхности грунта может обеспечить «поставку» 10–35 Вт мощности.
Длину трубы в одной петле, причём цельной, без разъёмов, стремятся ограничить (не более 600 м), иначе заметно увеличивается расход энергии на циркуляционном насосе. Если нужна большая мощность, петель делают несколько.
В случае использовании грунта возможны два варианта:
- укладка металлопластиковых труб в траншеи глубиной 1,2–1,5 метра примерно на 0.2 м ниже глубины промерзания, так как более глубокая укладка опасна тем, что лёд, намёрзший в результате работы вокруг труб, не успеет растаять за весну и лето;
- вертикальные скважины глубиной 20–100 м.
Иногда трубы укладывают в виде спиралей в траншеи глубиной 2–4 м. Срок службы такой траншеи составляет порядка 20–25 лет. Удобство такого способа укладки в меньшей суммарной длине траншей, например, для суммарной длины укладываемых труб в 800 м нужна траншея длиной 25 м.
На участке, над коллектором, не должно быть строений, чтобы летом прошла регенерация за счёт солнечной радиации, поскольку только примерно 20% тепла поступает из поверхности земли.
Минимальное расстояние между проложенными трубами должно составлять 0,7–0,8 м. Длина одной траншеи должна быть от 30 до 120 м.
Технология укладки труб
Для укладки каждой ветви выкапывают траншею длиной до 50 м, шириной 0,8 м и глубиной 2 м. На её дно насыпают подоснову из глины (5 см). Потом около стенки траншеи в прямом и обратном направлениях прокладывают трубу, наполненную водой под давлением 4 атм. Сверху ее засыпают слоем глины толщиной 10 см, который трамбуют и проливают водой. Затем укладывают грунт толщиной 20–30 см, а поверх, в глиняном «пироге», — оставшуюся часть трубы. Её концы заводят в помещение с таким расчётом, чтобы снаружи не было ни одного стыка удлинения.
Аналогично укладывают вторую ветвь. При этом расстояние между траншеями составляет минимум 10 м.
Выбор теплоносителя
В качестве теплоносителя нужно использовать раствор гликоля (25%). При этом нужно учесть в расчётах, что теплоёмкость будет 3,7 кДж/кгК при 0°С и концентрации гликоля 25%, плотность 1,05 г/см 3 , а потери давления в трубах будут в 1,5 раза больше по сравнению с водой.
Опыт показывает, что наиболее приемлемая конструкция системы отбора земного тепла получается при применении полиэтиленовых труб РЕ ПНД6 диаметром 32 мм, заполненных пропиленгликолем (30%).
Эффективность системы
Максимальная теплоотдача поверхностного грунта составляет 50–70 кВт*ч/м² в год. Съём тепла на 1 м трубы зависит от многих параметров (глубины, наличия грунтовых вод, качества грунта). Ориентировочно можно считать, что для горизонтальных коллекторов съём тепла составляет 20 Вт/м.
Горизонтальные грунтовые теплообменники
Тепловые насосы являются наиболее перспективными генераторами тепловой энергии для нужд отопления и горячего водоснабжения на ближайшие десятилетия. Об этом свидетельствует статистика по установке данного оборудования в странах Европы и Северной Америки. Вероятнее всего в ближайшие годы эта тенденция станет реальностью и для нашей страны. Как известно, для работы теплового насоса требуется электрическая энергия для привода компрессора и источник низкопотенциального тепла, которым может служить окружающий воздух (тепловые насосы воздух-вода), грунтовые воды или воды из поверхностного источника (тепловые насосы вода-вода) или же тепло поверхностных слоев Земли (тепловые насосы рассол-вода). Каждый из этих вариантов имеет свои преимущества и недостатки. Пожалуй, самым надежным и экономически оправданным является вариант использования в качестве источника тепла- грунта поверхностных слоев Земли. Грунт поверхностных слоев Земли представляет собой тепловой аккумулятор огромной емкости, тепловой режим которого складывается из двух факторов: солнечного излучения и потока радиогенного тепла недр земли. Сезонные и суточные изменения интенсивности солнечной радиации и температуры воздуха приводят к колебаниям температуры верхних слоев грунта. Но, как правило, суточные колебания температур затухают на глубине 1-1,5 м., а сезонные на глубине 20-30м. Еще стоит отметить, что колебание температуры грунта заметно отстает от колебания температуры воздуха над поверхностью земли и на некоторой глубине температура грунта будет максимальной в период минимальной температуры воздуха в зимний период. Это обстоятельство и создает предпосылки для эффективного использования поверхностных слоев Земли в качестве источника низкопотенциального тепла. В свою очередь устройства для отбора низкопотенциального тепла от грунта (грунтовые теплообменники) можно еще разделить на 2 основных вида: вертикальные, к ним относятся скважины различного вида и конструкции и горизонтальные , к ним относятся поверхностные грунтовые коллектора различных типов. Вот про горизонтальные грунтовые теплообменники мы и поговорим, учитывая, что данная конструкция теплообменника является пожалуй одной из самых доступных в плане финансовых затрат по сравнению с вертикальным теплообменником. Для устройства горизонтального грунтового теплообменника не требуется бурить дорогостоящие скважины, но необходима определенная площадь участка земли, свободная от застройки. К настоящему времени придумано и введено в эксплуатацию множество конструкций горизонтальных грунтовых теплообменников . Основные типы их изображены на рис.1
Рис 1. Виды горизонтальных
грунтовых теплообменников:
а – теплообменник из последовательно соединенных труб;
б – теплообменник из параллельно соединенных труб;
в – горизонтальный коллектор, уложенный в траншее «многоэтажка»;
г – теплообменник в форме петли;
д – теплообменник в форме спирали, расположенной горизонтально (так называемый «slinky» коллектор);
е – теплообменник в форме спирали, расположенной вертикально
Все производители тепловых насосов дают рекомендации и методику расчетов горизонтальных грунтовых теплообменников . Смысл методики заключается в том чтобы тепла , отбираемого теплообменником от грунта было достаточно для устойчивой работы теплового насоса в отопительный период , а также в летний период для приготовления горячего водоснабжения. В данном случае, необходимо найти компромисс, золотую середину, для того чтобы площадь занятая под грунтовый теплообменник была достаточной для покрытия потребностей в тепле, но в то же время и не превышала необходимого оптимального значения, чтобы не нести лишние финансовые затраты. Каким же образом найти эту необходимую площадь? Уже достаточно давно исследователи из разных стран мира начали заниматься этим вопросом и накопили к настоящему времени большой массив экспериментальных данных. Изучая почвенно-климатические условия Европы, были получены данные разных исследователей об удельном теплосъеме с одного погонного метра грунтового теплообменникаи и они сильно разнятся от 10 Вт/м до 60 Вт/м. Такой большой разброс опубликованных результатов говорит о сложности моделирования процессов протекающих при отборе тепла из грунта и отсутствии моделей адекватно описывающих те физические процессы, которые протекают в системах теплоотбора. Вкратце рассмотрим, какие процессы протекают в грунтовом массиве возле грунтового теплообменника. В эксплуатационный период массив грунта в пределах зоны влияния труб теплообменника вследствие сезонного изменения температуры наружного воздуха и эксплуатационных тепловых нагрузок от системы теплосбора подвергается многократному замерзанию и оттаиванию, при этом вода, содержащаяся в порах грунта меняет свое агрегатное состояние. Большую часть времени грунтовый массив находится при околонулевой температуре и вода, содержащаяся в грунте может быть в 3 агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном (в виде пара). Данное обстоятельство тоже оказывает некоторое влияние на теплоперенос в грунте, т.к. при наличие температурного градиента, молекулы водяного пара перемещаются в места с пониженным тепловым потенциалом, а вода в жидкой фазе, вследствие гравитационных сил, тоже движется. Стоит также отметить ,что и теплопроводность одного и того же грунта может быть совершенно разной, более влажный грунт имеет большую теплопроводность, чем сухой, а замерзший грунт, как правило, имеет более высокую теплопроводность по сравнению с талым. Обычно значение теплопроводности лежит в пределах от 1вт/(м*к) до 3 вт/(м*к) для грунтов с влажностью 15%.
Некоторые значения теплопроводности для мерзлого и талого грунта указаны в табл. 1.
Табл. 1 Теплопроводность грунта
| Плотность сухого грунта P , т/м3 | Суммарная влажность грунта Wtot, доли единицы | Теплопроводность грунта талого и мерзлого λт/λм. , Вт/м*к | ||
| Пески разной крупности | Супеси пылеватые | Глины и суглинки | ||
| 1,4 | 0,25 | 1,91/2,14 | 1,57/1,68 | 1,33/1,51 |
| 1,4 | 0,2 | 1,57/1,86 | 1,33/1,51 | 1,1/1,22 |
| 1,4 | 0,15 | 1,39/1,62 | 1,1/1,27 | 0,87/0,99 |
| 1,4 | 0,1 | 1,1/1,27 | 0,93/1,05 | 0,7/0,75 |
| 1,4 | 0,05 | 0,75/0,81 | 0,64/0,7 | 0,46/0,52 |
| 1,6 | 0,25 | 2,5/2,73 | 1,8/1,91 | 1,51/1,68 |
| 1,6 | 0,2 | 2,15/2,37 | 1,62/1,74 | 1,33/1,51 |
| 1,6 | 0,15 | 1,8/2 | 1,45/1,57 | 1,1/1,22 |
| 1,6 | 0,1 | 1,45/1,62 | 1,02/1,28 | 0,87/0,93 |
| 1,6 | 0,05 | 1,05/1,1 | 0,81/0,87 | 0,58/0,64 |
| 1,8 | 0,2 | 2,67/2,84 | 1,86/1,97 | 1,57/1,8 |
| 1,8 | 0,15 | 2,26/2,62 | 1,68/1,8 | 1,39/1,57 |
| 1,8 | 0,1 | 1,97/2,2 | 1,45/1,57 | 1,05/1,22 |
| 1,8 | 0,05 | 1,45/1,51 | 0,99/0,99 | 0,7/0,75 |
| 2 | 0,1 | 2,73/2,9 | 1,74/1,86 | 1,28/1,39 |
Как мы видим теплопроводность грунта в мерзлом состоянии в среднем на 10-20% больше, чем теплопроводность грунта в талом состоянии, а увеличение влажности грунта значительно повышает его теплопроводность.
Для оценки влияния грунтового теплообменника на окружающий грунтовый массив можно использовать следующую формулу:
где q-удельный тепловой поток к трубе грунтового теплообменника Вт/м. пог;
λg-теплопроводность грунта Вт/м*к
t0- температура на границе замерзания воды в порах грунта, t0=0 К;
t1-температура на поверхности трубы грунтового теплообменника;
R0- радиус виртуального цилиндра-границы замерзания воды в порах, м;
R1- радиус наружной поверхности трубы грунтового теплообменника, м.
Данную формулу можно применить как для начального периода работы теплового насоса (кипение фреона с температурой выше 0 град С), когда в грунт подается охлажденный рассол с положительной температурой ( t0 — температура грунта на отдалении R0 от оси трубы теплообменника), так и для последующего периода, когда температура рассола падает ниже 0 град С. Во втором случае, когда в грунт подается отрицательная температура и вокруг трубы возникает ледяная линза, некоторыми исследователями было предложено для вышеприведенной формулы использовать вместо λg- теплопроводности грунта, λэкв-эквивалентную теплопроводность грунта, учитывающую выделение скрытой теплоты фазового перехода при замерзании поровой влаги. Проведенные исследования показали, что значения λэкв до 2-х раз и более превышают λg-теплопроводность грунта при обычных условиях. Проведя расчеты можно сделать вывод, что при работе теплового насоса и кипением фреона с температурами выше 0 град С, когда не образуется ледяная линза вокруг труб грунтового теплообменника, радиус интенсивного влияния трубы на грунтовый массив составляет примерно 1 м., а при возникновении ледяной линзы и промерзании грунта, радиус влияния увеличивается и может составлять 2 и более метра. В табл. 2 приведены значения эквивалентной теплопроводности грунта, состоящего из слоев тяжелой глины, при разных радиусах труб грунтового теплообменника, при этом влажность грунта принималась равной 15%, теплопроводности грунта λg-2 Вт/м*к, а продолжительность периода отбора тепла от 3000 до 30000 часов (в числителе эквивалентная теплопроводность λэкв, Вт/м*к, в знаменателе радиус намерзания ледяной линзы Rл, м).
Табл. 2 Эквивалентная теплопроводность грунта и радиус намерзаемой ледяной линзы
| Радиус труб грунтового теплообменника, м | Продолжительность отбора тепла, час | ||||
| 3000 | 5000 | 8000 | 15000 | 30000 | |
| Температура теплоносителя подаваемого в грунтовый теплообменник -2 град С | |||||
| 0,02 | 4,31/0,77 | 4,3/0,96 | 4,28/1,18 | 4,26/1,56 | 4,24/2,1 |
| 0,05 | 4,4/0,88 | 4,38/1,1 | 4,36/1,34 | 4,33/1,75 | 4,3/2,36 |
| 0,08 | 4,48/0,97 | 4,44/1,19 | 4,41/1,44 | 4,37/1,88 | 4,34/2,52 |
| 0,1 | 4,52/1,04 | 4,48/1,24 | 4,44/1,5 | 4,4/1,95 | 4,36/2,6 |
| 0,15 | 4,6/1,11 | 4,55/1,35 | 4,55/1,35 | 4,54/2,09 | 4,41/2,78 |
| Температура теплоносителя подаваемого в грунтовый теплообменник -10 град С | |||||
| 0,02 | 4,26/1,55 | 4,25/1,95 | 4,23/2,41 | 4,22/3,2 | 4,20/4,37 |
| 0,05 | 4,33/1,75 | 4,31/2,18 | 4,28/2,66 | 4,27/3,53 | 4,25/4,8 |
| 0,08 | 4,37/1,88 | 4,35/2,33 | 4,32/2,85 | 4,3/3,74 | 4,27/5,06 |
| 0,1 | 4,4/1,95 | 4,39/2,41 | 4,35/2,94 | 4,32/3,85 | 4,29/5,2 |
| 0,15 | 4,45/2,09 | 4,42/2,58 | 4,39/3,13 | 4,35/4,08 | 4,32/5,49 |
Учитывая, что теплопоступления в поверхностные массивы грунта от радиогенного тепла земли ограничены величиной порядка 0,1 Вт/м2, то в отопительный период можно рассчитывать практически только на теплоту запасенную грунтовым массивом в теплый период года. Поэтому задача по правильному расчету площади и объема грунта, задействованного под грунтовый теплообменник очень важна. Попытаемся проанализировать эффективность некоторых из вариантов грунтовых горизонтальных теплообменников изображенных на рис. 1. На рис. 2 представлен классический вариант исполнения грунтового теплообменника с равномерным распределением температуры рассола по веткам.
Рис. 2 Схема горизонтального грунтового теплообменника с параллельным размещением труб
Большинство западных производителей тепловых насосов рекомендуют именно этот вариант. Например, в данном варианте, при отапливаемой площади дома в 100 м кв. и удельной тепловой нагрузке на здание 50 Вт/м кв, при использовании теплового насоса до 2000 часов в год, среднегодовой эффективностью =4 и удельной мощностью теплосъема с грунта q=25 Вт/м. кв. (соответствующему влажной глине) рекомендуемая площадь горизонтального грунтового теплообменника для покрытия потребностей в отоплении составляет 150 м кв. при размещении труб на глубине 0,8-1,5 м (ниже границы промерзания) и расстоянием между трубами 0,8-1 м. Учитывая, что полиэтиленовая труба будет Д32, а длина одной бухты= 100м, и принимая расстояние между трубами 0,8 м., пересчитываем занимаемую площадь и метраж трубы.
Принимаем метраж трубы Lтр= 200м пог, а площадь, занимаемую коллектором:
Sкол=200м *0,8 м=160 м2.
Таким образом, закладывая трубы на глубину 1,5м (ниже границы промерзания, для Минска примем для упрощения расчетов глубину промерзания 1м.) нам необходимо будет выкопать котлован с размерами 16м x 10м и глубиной 1,5м. Таким образом объем грунта, извлеченного из котлована составит:
W= 240 м3.
Если принять радиус влияния горизонтального грунтового коллектора на грунтовый массив ( при длительном теплосъеме 2000-3000 часов- радиус образования ледяной линзы) за 1м , то мы получим параллелепипед из грунта с размерами 18мx12мx1,5м, объемом :
Wзам= 324м3,
который отдает тепло грунтовому коллектору за счет своей теплоемкости и фазового перехода влаги, содержащейся в порах грунта. Кроме того грунтовый коллектор будет получать тепло от теплопередачи от теплого грунта к замороженному. Условная площадь контакта теплого и замороженного грунта составит:
Sконт=18*1,5*2+12*1,5*2+18*12=306 м2.
Посчитаем для такого же дома площадью 100 м кв вариант горизонтального грунтового коллектора ‘’многоэтажка”. Схема горизонтального грунтового коллектора «многоэтажка» изображена на Рис.3
Рис. 3 Схема горизонтального грунтового теплообменника «многоэтажка»
Рекомендуемая мощность по холоду для озвученных выше условий составит 3750 Вт, а длина траншеи для получения такой мощности составит:
Lтранш=3750/75=50м.
Площадь, занимаемая траншеей по верху (с учетом выполнения откосов) составляет:
Sтр=2,5*50=125м2
Предположим что трубы будут укладываться в 4 этажа на глубинах 1,5;2;2,5;3м. Необходимая длина труб-4 полиэтиленовые трубы д 32 по 100 м каждая, итого Lтр= 400м. Объем грунта (глина), извлекаемый из траншеи шириной 1м с учетом выполнения откосов составит: W=(1+(3*0,25*2+1))/2*3*50=263,5 м3.
Посчитаем, как и в предыдущем случае, объем грунта, подверженный воздействию грунтового коллектора с радиусом влияния 1м, который отдает тепло грунтовому коллектору за счет своей теплоемкости и фазового перехода влаги, содержащейся в порах грунта :
Wзам=(4+1,5)/2*3*50=412,5 м3.
Условная площадь контакта теплого и замороженного грунта составит: Sконт=3,1*50*2+1,5*50+(4+1,5)/2*3*2=402 м2.
Посчитаем для такого же дома площадью 100 м кв вариант горизонтального грунтового коллектора «slinky». Витки спирали коллектора находятся в одной горизонтальной плоскости и сдвинуты относительно друг друга. Общий вид горизонтального грунтового коллектора «slinky» изображен на Рис. 4.
Рис. 4 Горизонтальный грунтовый коллектор «slinky»
Согласно рекомендациям для рассматриваемого в нашем примере дома требуется вырыть 4 траншеи длиной по 12 м каждая, шириной 1 м, глубиной 1,5 м, расстояние между траншеями 3 м, общий метраж заложенной трубы составит 560 м.
Таким образом размеры занимаемые на участке коллектором составят 12м x 13м, а общая площадь занимаемая коллектором:
Sкол=12*13=156 м2;
Метраж трубы использованный для монтажа:
Lтр=560м;
Объем грунта, извлекаемого из траншей:
W=12*1*1,5*4=72 м3;
Посчитаем, как и в предыдущих случаях, объем грунта, подверженный воздействию грунтового коллектора с радиусом влияния 1м, который отдает тепло грунтовому коллектору за счет своей теплоемкости и фазового перехода влаги, содержащейся в порах грунта :
Wзам=14*3*1,5*4=252 м3;
Условная площадь контакта теплого и замороженного грунта составит:
Sконт=(14*1,5*2+3*1,5*2+14*3)*4=(42+9+42)*4=372 м2
Сведем полученные результаты в таблицу и проанализируем.
Табл. 3 Характеристики горизонтальных грунтовых теплообменников
| Вид грунтового теплообменника | Площадь грунтового теплообменника, м2 | Объем извлекаемого грунта, м3 | Объем грунта в зоне влияния теплообменника (объем замораживаемого грунта), м3 | Условная площадь контакта замораживаемого грунта и теплого грунта, м3 | Метраж трубы, используемый для монтажа, м |
| Теплообменник из параллельно соединенных труб | 160 | 240 | 324 | 306 | 200 |
| Теплообменник ‘’многоэтажка” | 125 | 264 | 413 | 402 | 400 |
| Cпиральные теплообменники типа slinky | 156 | 72 | 252 | 372 | 560 |
Видно, что при меньшей занимаемой площади грунтовый теплообменник «многоэтажка» имеет практически сопоставимый с теплообменником с параллельными трубами объем извлекаемого грунта, но при этом практически на треть выигрывает как в объеме зоны влияния (замораживаемого грунта), так и в площади контакта замораживаемого и теплого грунта. И это при том, что мы несколько увеличили размер грунтового теплообменника с параллельными трубами. Т.е. при расчетах нужно учитывать, что рекомендации западных производителей зачастую необходимо корректировать в большую сторону, т.к. для их условий расчет мог быть произведен для температуры -12 град, а для наших условий расчет необходимо производить до -24 град. Что же касается спирального теплообменника типа slinky, то имея площадь размещения, практически равную теплообменнику с параллельными трубами, объем извлекаемого грунта у него наименьший среди всех вариантов, что является несомненным плюсом для снижения стоимости аренды техники, но он сильно проигрывает по объему зоны влияния (замораживаемого грунта) другим вариантам, а по площади контакта замораживаемого и теплого грунта проигрывает «многоэтажке», но зато выигрывает у варианта с параллельными трубами. Кроме того вариант slinky имеет наибольший расход трубы и имеет наибольшие трудозатраты при укладке. Данный вариант теплообменника интересен, когда есть возможность подводного размещения такого коллектора в проточной воде.
Таким образом несомненным лидером по эффективности, компактности размещения, стоимости изготовления является среди всех представленных вариантов, горизонтальный грунтовый теплообменник «многоэтажка». Хотелось бы отметить, что данный вариант теплообменника появился, был запатентован на просторах СНГ , в Казахстане, когда началось производство первых отечественных тепловых насосов. Причина внедрения данного грунтового теплообменника заключалась в том, что первые инсталляции тепловых насосов, выполнялись по рекомендациям европейских производителей с расчетом на мягкий климат Европы и зачастую не выдерживали эксплуатации в резко континентальном климате Сибири и Казахстана. И хотя климат Республики Беларусь близок к европейскому, но и у нас иногда случаются холодные зимы, и в такой ситуации всегда лучше иметь систему отопления выполненную с запасом на суровые погодные условия.
Еще хотелось бы пару слов сказать про технологию выполнения работ по устройству грунтового теплообменника «многоэтажка». Зачастую, те кто выполняет данные работы в частном порядке, не осознают опасности которую представляют земляные работы. Часто можно увидеть, что траншеи выполняются с вертикальными стенками, что чревато обрушениями и сползанием грунта, со всеми вытекающими последствиями, особенно во влажных грунтах, после дождей. В нормативных документах по строительству, которые писались еще во времена Советского Союза и действовали на территории СССР были четко прописаны размеры откосов, которые необходимо было делать при разработке траншей и котлованов. Данные правила и нормативы с небольшими переработками перекочевали в нормативные документы стран таможенного союза и действительны и обязательны к исполнению при выполнении земляных работ. Ширина траншеи на уровне плоскости планировки подсчитывается, учитывая допустимую крутизну откосов, которую определяют в зависимости от вида грунта по Табл 4.
Табл. 4 Наибольшая допустимая крутизна откосов временных котлованов и траншей, выполняемых без креплений
| Вид грунта | Глубина выемки, м | |||||
| до 1,5 | от 1,5 до 3 | от 3 до 5 | ||||
| Угол между направлением откоса и горизонталью, град | Отношение высоты откоса к его заложению | Угол между направлением откоса и горизонталью, град | Отношение высоты откоса к его заложению | Угол между направлением откоса и горизонталью, град | Отношение высоты откоса к его заложению | |
| Насыпной | 56 | 1:0,67 | 45 | 1:1 | 38 | 1:1,25 |
| Песчаный, гравийный влажный (ненасыщенный) | 63 | 1:0,5 | 45 | 1:1 | 45 | 1:1 |
| Супесь | 76 | 1:0,25 | 56 | 1:0,67 | 50 | 1:0,85 |
| Суглинок | 90 | 1:0 | 63 | 1:0,5 | 53 | 1:0,75 |
| Глина | 90 | 1:0 | 76 | 1:0,25 | 63 | 1:0,5 |
| Лессовый сухой | 90 | 1:0 | 63 | 1:0,5 | 63 | 1:0,5 |
На рис 5 изображена схема разработки траншеи.
Рис. 5 Схема разработки траншеи
Здесь в — ширина траншеи по низу; В – ширина траншеи по верху; H — глубина траншеи; m- заложение откоса, m=ctg a.
Таким образом ширина траншеи по верху В=в+2*m*H.
Например, для отрывки траншеи глубиной 3м, по глине экскаватором с ковшом шириной 1м нам необходимо заложить откосы таким образом, чтобы ширина траншеи по верху была В=1+2*0,25*3=2,5м.
При этом объем выемки грунта с 1 погонного метра траншеи будет: W=(1+2,5)/2*3*1=5,25 м3, против объема в 3 м3, для траншеи с отвесными стенками. Таким образом объем извлекаемого грунта может быть в 2 и более раз выше по сравнению с вариантом для траншеи без откосов, соответственно и время работы экскаватора увеличивается вдвое. Это обстоятельство необходимо учитывать при планировании работ. За один рабочий день экскаватором типа JCB или CASE и т.п. возможно выкопать примерно 50 м. траншеи с откосами, конечно с поправкой на тип грунта. Также необходимо учесть, что грунт, как правило, неоднороден и если при отрывке траншеи есть слой глины и слой супеси, то крутизну откосов необходимо закладывать по более слабому грунту, т.е. по супеси. А вот определять, где супесь, а где суглинок, если на участке не проводились геологические изыскания, придется самостоятельно. Еще хотелось бы сказать, что при отрывки траншеи с откосами, на стенках можно делать небольшие горизонтальные полки-бермы и при монтаже размещать на них один из уровней прокладываемых труб. Это достаточно удобно, т.к. под трубой остается плотный слежавшийся грунт и трубу не срывает со стенок траншеи при обратной засыпке см. Рис. 6, Рис. 7
Рис. 6 Траншея с откосами, бермами под горизонтальный грунтовый теплообменник «многоэтажка»
Рис. 7 Траншея горизонтального грунтового теплообменника «многоэтажка» с трубами
Рис. 8 Траншея горизонтального грунтового теплообменника «многоэтажка» перед засыпкой
Еще хотелось бы отметить, что при выполнении откосов верхняя петля окажется самой короткой, а нижняя – самой длинной
Рис. 9 Засыпка конца траншеи
После укладки труб и засыпки траншей производится установка колодца и монтаж сборного коллектора, см Рис. 10
Рис. 10 Установка колодца
Рис. 11 Ввод труб в колодец
Рис 12. Прокладка подводящей магистрали от дома к колодцу
Рис. 13 Ввод магистрали в дом
Рис. 14 Монтаж сборного коллектора в колодце
После опрессовки можно приступать к монтажу теплового насоса.
Наша компания, имея опыт в установке тепловых насосов и устройству горизонтальных грунтовых теплообменников, готова предложить вам выполнение данных видов работ. Имея свободные площади для размещения горизонтального грунтового теплообменника, вы сможете сэкономить некоторую сумму денег по сравнению с устройством вертикальных теплообменников (скважин). Ориентировочные затраты на устройство горизонтального грунтового теплообменника «многоэтажка» для получения 9-10 кВт тепловой мощности составят около 6000-7000 белорусских рублей, что при хорошем утеплении, даст возможность отопить дом площадью около 200 м кв.