Повышение энергоэффективности теплонасосов с подземными коллекторами и системой увлажнения

Актуальность темы

Ограниченность запасов и нанесение вреда окружающей среде, прежде всего, изменение климата под воздействием выбросов ССЬ, вынуждает перейти к энергосбережению и использованию возобновляемых источников энергии.

Несмотря на то, что возобновляемые источники энергии обладают массой преимуществ, их использование влечет за собой решение ряда задач. Нужно искать новые оригинальные технические решения, чтобы, сочетая и используя разные виды возобновляемой энергии и применяя современные методы управления энергетическими ресурсами во всем мире, сгладить недостатки стохастического доступа к источниками возобновленной энергии, малую плотность энергии и высокие инвестиционные затраты, а также гарантировать оптимальное использование первичных ресурсов. Большую роль в ряду современного оборудования, использующего возобновляемые источники энергии, играют тепловые насосы, широко применяемые в мировой практике.

Целью диссертационной работы Целью диссертации является разработка научно-обоснованных решений по повышению энергетической эффективности тепловых насосов с использованием подземных коллекторов как, А источника теплоты, применяя запатентованную систему увлажнений коллектора естественными дождевыми осадками.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— рассмотреть существующие схемные решения по использованию тепловых насосов с различными источниками теплоты;

— провести анализ существующих методов оценки энергетической эффективности тепловых насосов;

— оценить возможности использования грунтовых коллекторов с системой их увлажнения дождевой водой;

— разработать методы и последовательность проведения экспериментальных и расчетных исследований;

— разработать схемные решения и конструкции теплового насоса с использованием увлажняемого грунтового коллектора;

— разработать лабораторную установку для проведения экспериментальных исследований;

— разработать методы и оценить точность измерения исследуемых параметров работы лабораторной установкой в ходе экспериментальных исследований;

— сделать расчет оценки энергоэффективности разработанной системы на основе метода моделирования параметров;

— сравнить результаты расчетного моделирования и проведенных экспериментальных исследований;

— разработать способы конструктивного улучшения исследуемой системы по результатам проведенных исследований;

— дать оценку погодных условий с учетом уровня дождевых осадков на территории Германии;

— оценить экономическую эффективность использования разработанной системы;

— сформулировать основные выводы по результатам проведенных исследований.

Научная новизна работы заключается в:

— установлении и описании связи между увлажнением грунтового коллектора и повышением значения коэффициента годовой выработки теплового насоса;

— разработке алгоритма увлажнения коллектора дождевой водой;

— подтверждении результатов моделирования и теоретических расчетов результатами экспериментальных исследований;

— экономическом анализе затрат на отопление от теплового насоса в сравнении с другими способами отопления;

— выявлении дополнительного экономического эффекта, достигаемого при увлажнении грунтового коллектора.

Практическую ценность работы определяют:

— моделирование и теоретическое подтверждение значения коэффициента годовой выработки на основе программы моделирования «VP-OPT» и директивы союза немецких инженеров У14 650;

— моделирование температуры земли и температуры рассола с помощью программы «?Р-ОРТ» ;

— конструкция и описание запатентованной системы увлажнения;

— разработка установки плоского грунтового коллектора с системой увлажнения на экспериментальной площадке;

— рекомендации для оптимального монтажа грунтового коллектора;

— рекомендации по конструктивному улучшению систем увлажнения для плоских грунтовых коллекторов;

— рекомендации по определению необходимого количества дождевой воды для увлажнения грунтового коллектора.

Реализация результатов работы. Для установки грунтового коллектора был выбран корпус 1 университета г. Лейпцига, в котором находятся основные лаборатории.

Запатентованная система увлажнения грунтового коллектора была установлена в более, чем 30-ти домах на одну или две семьи с жилой площадью от 90 до 230 м². В каждом доме была смонтирована система напольного отопления. Грунтовые коллекторы с системой увлажнения дождевой водой были установлены в местности, где бурение для геотермальных целей запрещено.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение: на международной выставке ISH (Франкфурт-на-Майне (Германия), 2007 г.) — в экспертной сети «EURO INNOVATION» (Гера (Германия), 2010;2011 гг.), созданной при содействии правительства Федеральной Республики Германияна кафедре отопления и вентиляции МГСУ (Россия) в 2011 г.- на проводимых в г. Москве (Россия) в 2011 г. международных научно-технических конференциях в НИИСФ и МГСУ.

7. Общие выводы.

В связи с постоянно растущими ценами на такие энергоносители как нефть, природный и сжиженный газ, а так же с осознанием того, что нужно заботиться об окружающей среде тепловые насосы становятся все популярнее. В новых домах на одну или две семьи специально выбирают установку с тепловым насосом. С учетом Положения про сохранение энергии (сокращенно на немецком языке — ЕИЕУ) и обеспечения новых домов источником энергии, не противоречащих требованиям закона, установки с тепловым насосом как установки, которые позволяют экономить первичную энергию, очень интересны. Отрасль тепловых насосов училась на первых ошибках, ошибках 80-ых годов прошлого столетия. Тепловой насос — это надежная, совершенная и не требующая постоянного обслуживания техника для отопления и охлаждения небольших и больших жилых домов, промышленных зданий и офисных центров. Кроме того, есть современные варианты и технологии, когда тепловые насосы используются в сочетании с солнечными батареями и устройствами регенерации теплоты.

Рентабельность и мощность установки с тепловым насосом зависит от коректного монтажа 3 отдельных компонентов: теплового насоса, источника теплоты и теплопотребителя. Результатом ошибок при планировании и монтаже источника теплоты и теплопотребителя является неэффективная работа всей системе теплового насоса, тепловой насос не сможет это компенсировать.

В основном в Германии в качестве источника теплоты используют земляные зонды. Так как производство земляных зондов недостаточно инвестируется и, кроме того, для установки зонда требуется получить соответствующее разрешение от местного водоканала, что занимает много времени, поэтому в последнее время очень часто используются тепловые насосы типа «воздух-вода».

Благодаря таким насосам и горизонтальным плоским коллекторам теплоту можно изымать даже из поверхностного слоя на глубине от 1,20 до 1,40 м. Такое качество данной системы зачастую недооценивают и его не принимают во внимание. Также очень важным является тот факт, что с научной точки зрения такой источник теплоты практически не был исследован. За последние 20 лет горизонтальные тепловые коллекторы практически не изучались. Поэтому можно говорить о том, что по сравнению с уже такими хорошо исследованными источниками теплоты как земляные зонды, грунтовые воды, сточные воды, воздух и отработанный воздух, энергетический и экономический потенциал таких систем еще не используется на 100%.

Традиционные и широко распространенные директивы по монтажу тепловых земляных коллекторов основываются на принципах соответствующей Директивы 4640 Союза немецких инженеров по использованию теплоты земли.

Эти принципы основываются на опыте, поэтому их нельзя назвать точными, а при применении на практике результаты будут существенно отличаться от прогнозируемых. Рекомендации по монтажу можно назвать черновыми, они основываются лишь на опыте и накопленных данных. Это мешало инженерам по планированию и поэтому они зачастую пренебрегали установками с альтернативными источниками теплоты, которые в большинстве случаев производят меньше энергии чем, например, система увлажнения в сочетании с плоским коллектором.

В действующих инструкциях и директивах нет никаких пояснений, как повысить эффективность систем увлажнения или впитывания. Поэтому данная диссертация основывается на использовании дополнительного энергетического потенциала.

В диссертации доказано, что показатель выработки установок с тепловым насос и тепловым подземным коллектором можно повысить примерно на 7%/г., используя ее вместе с запатентованной системой увлажнения.

Это значит, что в случае с жилым домом, жилая отапливаемая площадь которого согласно ЕИЕУ составляет 120 м², и стандартной потребностью дома в теплоте в 8 кВт, можно сэкономить на отоплении, горячеем водоснабжении и охлаждение летом примерно 70,0 евро/г., а при установлении всех элементов за один раз и до 250,0 евро. Кроме того снижаются затраты на отвод воды в канализационную систему примерно на 150,0−250,00 евро/г.

Кроме того, приведено доказательство рентабельности, что еще раз свидетельствует об эффективности сочетания традиционного теплового коллектора с системой увлажнения. На основании Директивы 2067 Союза немецких инженеров была оценена рентабельность различных отопительных систем. Рентабельность подтверждается и в смете с указанием всех затрат. Очевидно, что расходы на эксплуатацию и обслуживание теплового насоса типа «рассол-вода» минимальны. А при использовании плоского коллектора в сочетании с системой увлажнения эти расходы можно снизить еще примерно на 6,3%, так как задействуется больше возобновляемой природной энергии.

По сравнению с тепловым насосом типа «рассол-вода» плоский коллектор в сочетании с системой увлажнения наносит меньше вреда окружающей среде. Снижается не только использование первичной энергии, но и объемы выбросов С02. Меньше показатель по выбросу С02 только у отопительного котла Пеллета, который работает на биогенным твердом топливе.

В диссертации доказано, что ежегодный объем осадков, который попадает в землю, и объем осадков, которые можно собирать с крыши, превышает объем, достаточный для необходимого увлажнения. В зависимости от геологических или метеорологических данных соответствующего региона может потребоваться установка цистерн или канавок для дождевой воды. Во многих случаях позаботиться о впитывании дождевой воды при строительстве является обязательным условием.

Было доказано, что при увлажнении нужно придерживаться определенного алгоритма увлажнения, то есть расходовать воду согласно определенной схеме. Использование такой схемы значительно повысит выработку энергии. Для этого был проведен ряд испытаний, результаты испытаний приведены.

Был определен побочный эффект, который заключается в том, что при систематическом увлажнении теплового земляного коллектора тепловой насос работает практически без сбоев. Установленные температурная разница и уровень температуры в подземном коллекторе почти не зависят от изменяющихся климатических условий.

В новом доме, который построен на участках относительно небольшой площади, тепловой насос типа «рассол-вода» в сочетании с плоским коллектором и системой увлажнения является альтернативой по таким факторам, как рентабельность и получение энергии, по сравнению с установками с моноэнергетическим тепловым насосом типа «воздух-вода». В любом случае, сочетание плоского коллектор04 с системой увлажнения и тепловым насосом, который работает в моновалентном режиме, дает возможность отказаться от отопительных стержней. В данное время это заключение нужно последовательно внедрять при планировании и модернизации тепловых насосов. Благодаря использованию системы увлажнения над плоским коллектором участок для монтажа можно полностью или частично надстроить. Таким образом, будет устранен существенный недостаток плоских коллекторов, а именно — отсутствие возможности надстраивать монтажный участок. Сочетание плоского коллектора с системой впитывания — хороший вариант для изъятия максимального объема энергии. Такой вариант можно использовать в густонаселенных районах города, когда полезная площадь земельного участка невелика. При планировании нужно точно знать годовую потребность здания в теплоте, площадь земельного участка, тип грунта, уровень влажности и уровень выпадения осадков.

Тепловые насосы, имеющие контакт с землей, можно использовать не только для отопления, но также и для охлаждения помещения, так как можно изменить порядок эксплуатации тепловых насосов. При климатических условиях Германии, это также возможно при относительно незначительной потребности в охлаждении, можно охладить помещение, не используя тепловой насос в активном режиме, то есть использовать его как устройство для охлаждения (естественное охлаждение). Такая пассивная система охлаждения особенно подходит при использовании в сочетании с охлаждающим потолком и конвектором воздуходувки. Если планируется, что тепловой насос с плоским коллектором будет исполнять функцию пассивной системы охлаждения, то система увлажнения поможет предотвратить высушивание грунта вокруг плоского коллектора и поддержать работоспособность устройства. Такие устройства работают при весьма незначительном потреблении энергии, причем для 1 кВт холодопроизводительности циркуляционный насос должен работать в диапазоне мощности от 35 до 55 Вт. Такие опытные данные, они были доказаны при неоднократной установке тепловых насосов фирмы «Vaillant & Со. KG.» Таким образом, были установлены новые области применения теплового насоса в сочетании с плоским коллектором, в которых до сих использовалась лишь традиционная техника для охлаждения и кондиционирования воздуха.

При проведении и оценке испытаний очевидно следующее: лишь увлажнение дождевой водь^'способствует повышению годовой выработки почти на 10%. Если наряду с увлажнением дождевой воды4дополнительно установить систему отвода воды, то, вероятно, что показатель годовой выработки возрастет еще. Монтаж такой системы недорог и прост с технической точки зрения. Благодаря дополнительному отводу воды от плоского коллектора с системой увлажнения можно оптимизировать и улучшить такие установки с источником теплоты.

Для того чтобы определить, позволяет ли такая система эксплуатировать отдельно тепловой земляной коллектор, нужно определить и проверить параметры окружающей среды. Для того чтобы выровнять потерю теплоты при ее изъятии тепловым насосом, нужно определить устойчивость данной системы по отношению к передаче теплоты дождевой водой.

Нельзя также забывать, что затраты на монтаж плоского коллектора с системой увлажнения значительно ниже затрат на скважины с тепловыми земляными зондами. Затраты на установку плоского коллектора с системой увлажнение можно еще снизить за счет того, что некоторые работы застройщик может выполнить сам, например, выкопать котлован или заполнить его. Для планирования и конструирования теплового насоса очень важно определить точные габариты теплового насоса с источником теплоты, выбрать низкотемпературную отопительную систему и обеспечить необходимый расход питьевой воды. Объяснение всей отопительной системы с тепловым насосом и со всеми необходимыми системными компонентами нельзя дать на основании опыта. Перед установкой плоского коллектора с системой увлажнения нужно провести анализ грунта, определить содержание поровой воды в грунте, определить площадь скатов крыши, на которых будет дополнительно накапливаться дождевая вода, и определить ежегодный уровень осадков. Все последующие выкладки, например, использование необходимых канавок для отвода дождевой воды, базируются на этих данных. В Германии проектировщику помогают программы выкладки от производителей и независимые средства моделирования. Именно это стало предпосылкой для высказывания об эффективности теплового насоса как элемента стимулирования и развития рынка данного оборудования в июле 2008 г. Поэтому застройщики при постройке новых домов или при их модернизации вносят в смету установку такой системы. Кроме того, основанием для введения и использования инновационных разработок является доказательство повышения показателя годовой выработки. Показатель годовой выработки ^ для новостройки для теплового насоса типа «рассол-вода» должен >4, в то время как показатель годовой выработки $ при использовании инновационных разработок >4,7.

Благодаря полученным данным можно сказать, насколько может увеличиваться показатель годовой выработки р при сочетании плоского коллектора с системой увлажнения. Можно констатировать тот факт, что мощность и эффективность плоского коллектора задействуется не на все 100%, и есть еще скрытые резервы. Для повышения эффективности можно использовать систему увлажнения дождевой воды, которую очень просто установить.

Вместе с этим первоначальным энергетическим эффектом данная система при эксплуатации отличается вторичным эффектом, а именно: снижение налогов на отвод воды в канализацию в сравнении с использованием пресной и дождевой воды для системы увлажнения.

Перечень используемой литературы.

1. Bundesministerium fur Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit: Entwicklung der erneuerbaren Energien in Deutschland im Jahr 2007, Stand 12. Marz 2008, Seite 15.

2. Planungsburo fur Energie & Umwelt Lindner, Forschungsund Entwicklungsantrag vom 08.01.2002.

3. Ochsner, Karl: Warmepumpen in der Heizungstechnik, 2. uberarbeitete Auflage, C.F. Muller Verlag, Heidelberg, 2001, Seite 61.

4. Hackensellner, Thomas/ Dunnwald, Gerhard: Warmepumpen, VDI-Gesellschaft, Teil VIII Regenerative Energien, Dusseldorf, 1996, Seite 4.

5. Васильев Г. П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев земли. // Монография — 2006. — с. 14.

6. Bundesministerium fur Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit: Entwicklung der erneuerbaren Energien in Deutschland im Jahr 2007, Stand 12. Marz is.

2008, Seite 3.

7. Bund fur Umwelt und Naturschutz Deutschland Landesverband NRWe.V.: Vergleichsrechnung zur Einfuhrung von Abwassergebuhren fur die Regenwassernutzung, Veroffentlichung vom 31.03.2008.

8. GERODUR Kunststoffverarbeitung GmbH & Co. KG: Verlegerichtlinien, Planungsinformationen EWK 2002.

9. Bundesministerium fur Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit: Entwicklung der erneuerbaren Energien in Deutschland im Jahr 2007, Stand 12. Marz 2008, Seite 4, 5, 6.

10. Novelle des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG): BGBL. Teil I Nr. 40, vom 31. Juli 2004, Seite 1918ff.

11. Dimensioning of the heat extraction borehols — EED version 2.0.

12. Deutscher Wetterdienst: Gutachten, Geschaftsfeld Hydrometeorologie;

Berlin, Dezember 2001.

13. Novelle des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG): BGBL. Teil I Nr. 40, 31.07.2004, Seite 1918 ff.

14. Patent Nagelbau Ges.mbH., Erdkollektor zur Erdwarmegewinnung und zur Warmespeicherung im Erdreich, sowie Verfahren zur Errichtung eines Kollektors, Veroffentlichung vom 23.11.1989.

15. Patent Heinz Gerbert, Earth collector for a heat pump system or a recuperative earth cooling system, Veroffentlichung vom 15.08.1984.

16. Patent Dr. Klaus Lands, Erdkollektoren fur Warmepumpen, Veroffentlichung vom 11.05.1983.

17. Васильев Г. П. Теплохладосиабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев земли. // Монография — 2006 — с. 165 (Рис. 2−2.).

18. DIN 18 121−1 Untersuchung von Bodenproben — WassergehaltBestimmung durch Ofentrocknung.

19. Bundesministerium fur Wirtschaft und Technologie: Energieforschung, Internet-Projektbetreuung, Referat Offentlichkeitsarbeit, Scharnhorststr. 34−37, 10 115 Berlin, Stand 13.10.2007, Seite 2.

20.VDI 4640 Blatt 2: Thermische Nutzung des Untergrundes erdgekoppelter Warmepumpenanlagen, Ausgabe 2001, Seite 14−16.

21. Kampfer, L./ Brugmann, J.: Sonderdruck aus «Energie Effizientes Bauen «, tecalor GmbH, Holzminden, Ausgabe 2/2004.

22. Kolbe, Dieter: Klimaanderungen — andert sich auch der Charakater der Niederschlagsereignisse?, Ausarbeitungen fur das Tiefbauamt Leipzig, 2001.

23. Lothar, Lindner: Anordnung und Verlegung von Rohrleitungen fur einen Erdkollektor in Kombination mit einem Versickerungssystem, Veroffentlichung vom 01.04.2004.

24. Patent Horst Gna?, Herstellungsverfahren fur Erdkollektoren zur Entnahme oder Speichemng von Warmeenergie, Veroffentlichung 19.05.1982.

25. NTB — Межгосударственный технический ВУЗ/Швейцария. — Бухс.

26. Bitzer International: Kaltemittelreport, 13. Auflage, Sindelfingen, А 500−13, Seite 74.

27. Ochsner, Karl: Warmepumpen in der Heizungstechnik, 2. uberarbeitete Auflage, C.F. Muller Verlag, Heidelberg, 2001, Seite 45, 55.

28. Bitzer International: Kaltemittelreport, 13. Auflage, А 500−13, Seite 11−20.

29. Публикация работы по защите научной степени дипломированного инженера Клауса Рамминга / Институт энергетической техники, Союз немецких инженеров: брошюра 06/2007. — Изд. HLH. — Дрезден: Изд-во Спринген. — с. 24.

30. BMU nach Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien — Statistik (AGEE-Stat): vorlaufige Angaben, Stand Marz 2008.

31. Васильев Г. П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев земли. // Монография — 2006. с. 8−9.

32. Planungsinformation Elektro Warmepumpe der Firma Vaillant GmbH: Ausgabe 2005, Seite 124−126, 154.

33. Landesgewerbeamt Baden-Wurttemberg: IE Informationszentrum Energie, 3. Auflage 2001, Stuttgart, Seite 7- 10.

34. VDI — Richtlinie 2067: Wirtschaftlichkeit gebaudetechnischer Anlagen, Teile 4, 6, 10, 11, neuesterStand.

35. Landesanstalt Umwelt und Naturschutz Baden-Wurttemberg: Handbuch Mikrobiologische Bodenreinigung, Stand April 1991.

36. Руководство по монтажу / ELWA аква-геотервия. — 2004. — с. 4.

37. Руководство по монтажу / ELWA AquaGeo Thermie. — 2003.

38. Информация для проектирования — Электрические тепловые насосы geoTHERM / Фирма «Vaillant GmbH & Co. KG». — Изд. 08/2006.

39. VDI Handbuch Energietechnik: VDI4650, Kurzverfahren zur Berechnung der Jahresaufwandszahl von Warmepumpenanlagen, Blatt 1, Ausgabe Januar 2003.

40. Hackensellner, Thomas/ Dunnwald, Gerhard: Warmepumpen, VDI-Gesellschaft, Teil VIII Regenerative Energien, Dusseldorf, 1996, Seite 8, 71.

41. Patent VEB Kabelwerke Oberspree, DDR, System zur Gewinnung und Ubertragung von Warmeenergie, Veroffentlichung vom 17.09.1987 .

42. DIN 18 121−2 Wassergehalt und Trocknung in der Mikrowelle-Schnellverfahren.

43. DIN 18 121−½: Ausgabe 1998;04- Wassergehalt durch Trocknung in der Mikrowelle — Schnellverfahren.

44. Geothermische Vereinigung e.V.: Kleines Handbuch der Geothermie Band 1, 2. Auflage 2001, Seite 33−40.

45. VDI 4640 Blatt 2: Thermische Nutzung des Untergrundes erdgekoppelter Warmepumpenanlagen, Ausgabe 2001, Seite 12−13.

46. Wirtschaftlichkeitstool der Firma Vaillant Deutschland GmbH & Co. KGStand September 2007.

47. DIN 18 134: Baugrund, Versuche und Versuchsgerate-Plattendruckversuch, Ausgabe 2001;09, Verdichtungsgrad >= 0,98.