Испарительный контур геотермального теплового насоса
EVAPORATIVE CIRCUIT FOR GROUND SOURCE HEAT PUMP

Изобретение относится к области получения или использования геотермального тепла, и может быть использовано в грунтовых контурах геотермальных тепловых насосов, в испарительных системах геотермальных тепловых насосов прямого теплообмена, в системах отопления и охлаждения, включая кондиционеры, холодильные установки, использующие в качестве теплоносителя фреоны.
Тепловой насос представляет собой установку, в которой осуществляется обратный цикл Карно и которая переносит тепловую энергию от среды с низкой температурой (воды, земли, окружающего воздуха) к теплопередатчику с высокой температурой за счет затраты энергии [1]
Принцип работы геотермального теплового насоса состоит в том, что тепло от низкопотенциальных источников по земляному контуру теплоносителем переносится в установку, где в испарителе за счет теплообмена передается хладагенту, содержащемуся во внутреннем теплообменном контуре. От внутреннего теплообменного контура тепло в конденсаторе передается в отопительный контур [2].
Обычный грунтовый тепловой насос содержит два внешних контура с теплоносителями и один внутренний с хладагентом, два теплообменника, конденсатор и испаритель, в которых теплоносители в контурах обмениваются теплом с хладагентом. Компрессор и сбросный клапан обеспечивают увеличение и сброс давления, за счет чего изменяется температура хладагента [3, 4].
Такой тепловой насос с тремя контурами, один из которых находится внутри корпуса теплового насоса, двумя теплообменниками, конденсатором и испарителем, в которых теплоносители в контурах обмениваются теплом с хладагентом, а в земляном контуре циркулирует незамерзающая жидкость - водный раствор гликоля, смесь воды и антифриза, называют гликолевым тепловым насосом.
Земляной контур представляет собой трубопровод большой протяженности с теплоносителем внутри. Трубопровод чаще всего замкнутый, движение по нему теплоносителя обеспечивается насосом.
В качестве земляного контура обычного геотермального теплового насоса большинство производителей тепловых насосов используют трубы из полиэтилена высокой или низкой плотности диаметром 20-40 миллиметров с циркуляцией незамерзающей жидкости - водного раствора гликоля, смеси воды и антифриза, такого как пропиленгликоль, монопропиленгликоль, денатурированного спирта, метанола или тому подобного.
Шведские геотермальные насосы Danfoss http://www.geoteplo.com/danfoss-dhp_teplovoy_nasos_cena используют три контура, в испарительном контуре теплоносителем является рассол - незамерзающая жидкость (этилен - гликоль, этанол). Материал испарительного контура полиэтилен низкого давления. Известна отопительная система компании Danfoss Патент RU 2507453 С2, основанная на работе трехконтурного теплового насоса.
При трехконтурном принципе работы геотермального теплового насоса возникают потери при теплообмене из-за наличия двух устройств испарителя и конденсатора, необходимости прокачивать теплоноситель по земляному контуру насосом. Конструкция такого теплового насоса сложная, громоздкая, что негативно сказывается на стоимости изготовления, монтажа и обслуживания.
Существуют геотермальные тепловые насосы прямого теплообмена (DX - сокр. от англ. direct exchange - «прямой обмен»).
В таких тепловых насосах фактически просто продлен внутренний контур, несущий хладагент, в почву, тем самым он непосредственно обменивается теплом с землей. В этом случае теплоносителем, циркулирующим под землей, является сам фреон теплового насоса. В таком тепловом насосе присутствует 2 контура и нет испарителя. Испарение хладагента происходит напрямую в земляном контуре, поэтому его можно назвать также испарительным контуром.
Тепловой насос прямого теплообмена проще в конструкции, так как содержит всего два контура, а испарителем служит сам геотермальный контур, что уменьшает тепловые потери, увеличивает КПД на 12-20%, увеличивает безопасность эксплуатации и простоту монтажа.
Давление в DX контуре прямого теплообмена может достигать до 1,6 МПа. При таком давлении фреон обладает повышенной текучестью. Пластиковые трубы полиэтилена низкого давления, используемые в гликолевых геотермальных контурах, обладают повышенной проницаемостью для газов, и не могут использоваться в испарительной системе теплового насоса прямого теплообмена. Поэтому земляной контур теплового насоса прямого теплообмена обычно выполнен из меди или другого металла и содержит трубки диаметром 6-10 миллиметров. Хладагент циркулирует через петлю из медной трубки под землей и обменивается теплом с землей. Такой грунтовый контур подвержен ускоренной почвенной коррозии и имеет высокую стоимость.
Испарительный контур геотермального теплового насоса прямого теплообмена состоит из следующих частей: входной и выходной трубопровод, распределительные гребенки, земляной (грунтовый) контур, который может состоять из пучка или набора коллекторных трубок.
На рынке России присутствуют геотермальные тепловые насосы марки Sundue «SDW-02 inv» http://sundue.ru/news/teplovoi-nasos-sdw-varianty-i-vozmozhnosti, они представляют собой гликолевые тепловые насосы и тепловые насосы прямого теплообмена.
Испарительный контур, выполненный из меди или другого металла, обладает пониженной коррозийной устойчивостью по сравнению с полиэтиленовым материалом. Подверженность металла коррозии является одной из проблем при использовании тепловых насосов прямого теплообмена. Например, в KR101606417 "Method for preventing corrosion of ground heat exchange system using sacrificial anode" предлагается использование жертвенного анода для предотвращения коррозии.
Основное требование к расположению грунтового контура - он должен снимать тепло с такого объема грунта, чтобы обеспечить производство необходимого количества тепла и при этом иметь оптимальную длину без лишних соединений.
Расположение земляного контура может быть горизонтальное, ниже точки промерзания грунта на 30-50 см, вертикальное, спиральное или их сочетания.
Трубки в горизонтальных контурах могут соединяться последовательно, так что присутствует только один длинный контур, либо последовательно и параллельно, так что несколько контуров расположены параллельно для использования одних и тех же входных / выходных каналов.
При горизонтальном расположении коллекторные трубки могут размещаться кольцами или извилисто в горизонтальных траншеях. Для такого расположения наиболее подходящими являются трубки из полиэтилена, которые можно изгибать при прокладывании. Например, известно изобретение RU 2561840 «Подземный контур в системе низкотемпературной энергии и способ ее получения», в котором подземный контур содержит коллекторную систему труб, выполненную в виде витков змеевика с образованием по крайней мере двух кольцевых труб различного поперечного сечения.
Вертикальное расположение геотермального контура в виде вертикальных зондов требует меньшей площади поверхности, но при этом высока стоимость бурения, например, в [5] описан вертикальный грунтовый теплообменник, представляющий собой две параллельные трубы, соединенные в нижней части.
Способы вертикального расположения земляного контура описаны также в патенте РФ №2359183, МПК F24J 3/08, дата публикации 20.06.2009, патенте на полезную модель Pvul34 303. дата публикации: 10.11.2013. изобретении CN206861689U «Ground - source heat pump ground low temperature radiation capillary network heating System».
Вертикальные петли также устанавливаются в параллельной или последовательной конфигурации.
Медные трубки сложнее изгибать и укладывать в искривленные траншеи или спиралевидным способом. Соединения медных контуров в распределительной гребенке более сложное и менее надежное, чем у полиэтиленовых труб.
Известен полиэтилен повышенной термостойкости PE-RT, представленный в стандартах Международной организации по стандартизации (ИСО) ISO 22391-5:2009. используемый для горячего и холодного водоснабжения. PE-RT представляет собой дальнейшее развитие полиэтилена со значительно улучшенной долговечностью при высоких температурах [6]. Этот материал обладает уникальной молекулярной структурой, которая обеспечивает достаточную долговечность при высоких температурах без необходимости сшивки материала.
Известно изобретение CN201450952 «Ground temperature energy-saving constant-temperature greenhouse big shed», в котором описана система обогрева теплицы геотермальным гликолевым тепловым насосом, которая включает теплообменные трубы РЕ-Х, PE-RT или PD, которые равномерно погружены под поверхность почвы в теплице на глубину от 30 см до 50 см, и вертикальные фанкойлы, установленные вокруг основного корпуса теплицы. В данном изобретении полиэтиленовые трубы из PE-RT используются не для забора тепла от грунта земли, а для поддержания температуры почвы, и в них циркулирует гликоль.
Наиболее близким к данному изобретению является изобретение US 10345051 -«Горизонтальный грунтовый теплообменник теплового насоса», дата 09.07.2019 г. В данном изобретении грунтовый теплообменник теплового насоса имеет длинные трубы, расположенные, по меньшей мере, в одном слое, сообщающиеся по текучей среде друг с другом, и на расстоянии не менее двух (2) футов друг от друга. Более короткие трубы могут быть расположены между длинными трубами и соединителями между соседними трубами. Длинные трубы состоят из материалов с высокой теплопроводностью, таких как алюминий, тогда как короткие трубы и/или соединители могут быть изготовлены из гибких материалов с низкой теплопроводностью. Теплообменник расположен на расстоянии не менее двадцати четырех (24) дюймов от поверхности земли.
Недостаток данного изобретения: трубы, изготовленные из алюминия, подвержены коррозии, их соединения непрочные и недолговечные, их сложно изгибать.
Задача, решаемая заявленным изобретением: создать испарительный контур геотермального теплового насоса прямого теплообмена, не подверженный коррозии, способный выдерживать высокие давления хладагента, обладающий долговечностью, гибкостью, простотой монтажа и герметичностью, высокой степенью теплоообмена с грунтом, с оптимальным расположением земляного контура, имеющий модульную структуру для использования в тепловых насосах различной мощности.
Поставленная задача решается тем, что
испарительный контур геотермального теплового насоса прямого теплообмена, который имеет входную и выходную трубы, систему коллекторных трубок и их соединения, отличается тем, что материалом испарительного контура, т.е. входной и выходной трубы, соединений и коллекторных трубок, является полиэтилен повышенной термостойкости PE-RT, а диаметр коллекторной трубки равен 16 мм;
соединительным элементом входной или выходной трубы испарительного контура геотермального теплового насоса с системой коллекторных трубок является распределительная гребенка, центральная часть которой представляет собой цилиндрический отрезок трубы, заглушенный на одном торце, к боковым сторонам которого симметрично присоединены с двух сторон по три патрубка, каждый патрубок соединен с коллекторной трубкой, соединение входной или выходной трубы с открытым торцом распределительной гребенки и соединение патрубка распределительной гребенки с коллекторной трубкой произведены методом муфтовой сварки;
количество коллекторных трубок 6, 12 или 18, в зависимости от мощности теплового насоса - 12 кВт, 24 кВт или 36 кВт;
длина одной коллекторной трубки 100 м;
соединительный элемент входной и выходной трубы испарительного контура геотермального теплового насоса с системой коллекторных трубок представляет собой распределительную гребенку, центральная часть которой представляет собой цилиндрический отрезок трубы, заглушенный на одном торце, к боковым сторонам которого симметрично присоединены с двух сторон по три патрубка, каждый патрубок соединен с коллекторной трубкой, соединение входной или выходной трубы с открытым торцом распределительной гребенки и соединение патрубка распределительной гребенки с коллекторной трубкой произведены методом муфтовой сварки;
соединительный элемент представляет собой единичную распределительную гребенку, или набор из 2 или 3 соединительных гребенок, в зависимости от мощности теплового насоса - 12 кВт, 24 кВт или 36 кВт, соединенных друг с другом последовательно торцами цилиндрических частей, соединения произведены методом муфтовой сварки;
земляной контур геотермального теплового насоса прямого теплообмена расположен так, что коллекторные трубки располагают в грунте горизонтально в 6 параллельных плоскостях в траншее глубиной 3 м ниже точки промерзания грунта на расстоянии 0,5 м друг от друга, конечные участки входной и выходной труб, соединительные элементы входной и выходной трубы испарительного контура геотермального теплового насоса с системой коллекторных трубок и начальные участки коллекторных трубок располагают в кессонном колодце;
земляной контур располагают в 1, 2 или 3 отдельных траншеях, в зависимости от мощности теплового насоса - 12 кВт, 24 кВт или 36 кВт.
Для обеспечения высокой степени теплообмена испарительного контура, выполненного из PE-RT, с грунтом, эквивалентного тому, который происходит через медный или металлический земляной контур, диаметр коллекторных трубок увеличивают.
Материал для изготовления испарительного контура был выбран исходя из экспериментальных исследований. Испытания показали возможность создания испарительного контура геотермального теплового насоса прямого теплообмена из полиэтилена повышенной термостойкости PE-RT. Назовем такой испарительный контур геотермального теплового насоса прямого теплообмена, выполненный из полиэтилена повышенной термостойкости PE-RT, как DX-Пласт.
Недостатком полиэтиленовых труб по сравнению с медными является более низкая теплопроводность полиэтилена. Эта задача была решена за счет увеличения диаметра и поверхности труб из полиэтилена, чем удалось преодолеть низкую теплопроводность полиэтилена. То есть, при равных размерах контура, одинаковой длине, эффективность теплообмена хладагента фреона с грунтом через пластиковый земляной контур, выполненный из PE-RT, большего диаметра, и через медный контур меньшего диаметра, одинакова. Например, для обеспечения одинакового теплообмена теплового насоса мощностью 12 кВт медные трубки грунтового контура имеют диаметр 8 мм и суммарную длину 600 м, а трубки из PE-RT - диаметр 16 мм, при той же длине.
В основе создания геотермальных тепловых насосов прямого теплообмена лежало использование фреона R-410a. Максимальное давление фреона R410a в геотермальном контуре прямого испарения составляет 1,6 МПа, такой насыщенный пар высокого давления нуждается в специальных рабочих узлах и высококачественных деталях.
В испытательном испарительном контуре DX-Пласт соединительные элементы входной и выходной труб с системой коллекторных трубок были выполнены в виде распределительных гребенок, центральная часть которых представляет собой цилиндрический отрезок трубы, заглушенный на одном торце, к боковым сторонам которого симметрично присоединены с двух сторон по три патрубка. Каждый патрубок соединен с коллекторной трубкой. Для обеспечения прочности соединения входной и выходной трубы с цилиндром центральной части и патрубков распределительной гребенки с коллекторными трубками испарительного контура был использован метод муфтовой сварки полиэтиленов. При муфтовом методе сварки применяются специальные соединительные элементы, которые полностью обхватывают торцевую часть трубок. Распределительные гребенки, коллекторные трубки и входная и выходная труба для испарительного контура геотермального теплового контура изготавливаются из одинакового полиэтилена и при инсталляции в грунт имеют минимальное количество муфтовых соединений, что в свою очередь обеспечивает надежность и герметичность всего изделия.
Для обеспечения простоты монтажа и контроля входная и выходная трубы, распределительные гребенки и начальные участки коллекторных трубок испарительного контура были размещены в кессонном колодце.
Срок службы геотермального испарительного контура, выполненного из PE-RT, за счет повышенной коррозийной устойчивости, составляет существенно более 50 лет, т.к. полиэтилен не разлагается в земле, у медного контура - 30 лет.
Трубки, выполненные из PE-RT, можно изгибать и укладывать оптимальным образом в виде извилистых контуров для максимального съема тепла грунта и уменьшения капитальных затрат при укладке земляного контура.
Выбранный полимер обладает морозостойкостью и не теряет гибкости при отрицательных температурах (до 26 градусов Цельсия ниже нуля). Для проверки отрезки труб из PE-RT после выдержки в течение 24 часов в морозильной камере при температуре 26 градусов Цельсия ниже нуля были подвержены разрушению методом сгибания. В результате испытаний трубы из PE-RT согнулись с изломом, но не потеряли герметичность.
Испытания эффективности работы испарительного контура DX-Пласт были проведены на реальных объектах. На двух жилых объектах были смонтированы два тепловых насоса мощностью 12 кВт марки Sundue «SDW-02 inv» с инверторными компрессорами, заправленными фреоном R-410A. Тепловые насосы были смонтированы на объектах недвижимости одинаковой площади и планировки, с системой отопления водяными теплыми полами. Температура воздуха в помещениях поддерживалась одинаковая - 22 градуса Цельсия выше нуля. Первый тепловой насос был обычный, трехконтурный и содержал гликолевый земляной контур из полиэтилена низкого давления, другой был тепловым насосом прямого теплообмена и содержал испарительный контур, выполненный из PE-RT.
Испарительный контур второго теплового геотермального насоса прямого теплообмена, DX-Пласт, состоял из входной и выходной труб, двух распределительных гребенок (выпускающей и собирающей) и коллекторных трубок. Количество коллекторных трубок, подходящих к каждой из гребенок, равнялось 6, длина одной коллекторной трубки - 100 м. Диаметр коллекторных трубок - 16 мм.
Входная и выходная трубы, распределительные гребенки и начальные участки коллекторных трубок были помещены в кессонной колодец для упрощения монтажа и контроля.
Коллекторные трубки располагались в грунте горизонтально в траншеях глубиной 3 метра от точки промерзания грунта в 6 параллельных плоскостях на расстоянии от 0,5 м друг от друга. Соединения распределительных гребенок с входной и выходной трубой и коллекторными трубками было выполнено методом муфтовой сварки.
Земляные контуры геотермальных тепловых насосов - гликолевый из полиэтилена низкого давления и DX-Пласт были расположены на расстоянии 250-300 метров друг от друга, с одинаковой геологией. Мониторинг сравнительных характеристик производился ежемесячно в течение отопительного сезона.
Целью испытаний были
1) проверка последствий долгосрочного воздействия фреона, а именно дифторметана и пентафторэтана, на материал стенок контура DX-Пласт;
2) герметичность соединений контура DX-Пласт, а именно соединений входной и выходной трубы с распределительными гребенками, и соединения распределительных гребенок с коллекторными трубками, произведенных методом муфтовой сварки;
3) паропроницаемость стенок DX-Пласт;
4) эффективность теплообмена хладагента с грунтом через стенки коллекторных трубок, выполненных из PE-RT.
Испытания проводились в течение отопительного сезона - 8 месяцев. Проверка показала после завершения испытаний отсутствие воздействия фреона на материал стенок, герметичность соединений контура, произведенных методом муфтовой сварки, непроницаемость стенок DX-Пласт для паров фреона, эффективность теплообмена хладагента с грунтом через стенки коллекторных трубок увеличенного диаметра, выполненных из PE-RT.
Эффективность теплообмена хладагента с грунтом через стенки коллекторных трубок, выполненных из PE-RT, подтвердилась в результате сравнительного анализа количества электроэнергии, потребленной тепловыми насосами в конце отопительного периода. Для SDW-02 inv с гликолевым земляным контуром расход электроэнергии составил 6363 кВт. Для SDW-02 inv с контуром DX-Пласт расход составил 5481 кВт. Среднегодовой экономический эффект геотермального теплового насоса прямого теплообмена с контуром DX-Пласт составил 16,5%.
За два года полевых испытаний было смонтировано 14 прототипов испарительных контуров прямого теплообмена DX-Пласт, включая испытуемый контур. Был выполнен мониторинг надежности и герметичности земляного контура DX-Пласт. Ни один испарительный контур DX-Пласт за указанный период не потребовал дозаправки фреона R410a. Визуальный осмотр коллекторов, труб, сварных соединений не выявил дефектов и видимых изменений в контуре DX-Пласт. Все испытания показали герметичность соединений, выполненных методом муфтовой сварки, непроницаемость стенок контура и соединений для фреона, отсутствие воздействия фреона на стенки контура и соединения, гибкость испарительного контура прямого теплообмена DX-Пласт, эффективность теплообмена хладагента с грунтом через стенки.
При увеличении мощности теплового насоса в 2 или 3 раза (24 или 36 кВт) используется соединение методом муфтовой сварки двух или трех распределительных гребенок, количество коллекторных трубок увеличивается в два или три раза соответственно. При постоянной длине одной коллекторной трубки в 100 м суммарная длина земляного контура увеличивается в 2 или 3 раза. Коллекторные трубки располагаются в 2 или 3 земляных траншеях глубиной 3 м от точки промерзания грунта по 6 трубок в одной траншее в параллельных плоскостях на расстоянии 0,5 м друг от друга.
Использование испарительного контура геотермального теплового насоса, выполненного из PE-RT, позволяет увеличить срок его службы, повысить герметичность, гибкость. Он не подвержен коррозии, способен выдерживать высокие давления хладагента, обладает высокой степенью теплоообмена с грунтом, имеет оптимальное расположение земляного контура, имеет модульную структуру для использования в тепловых насосах различной мощности.
Испарительной контур, выполненный из PE-RT, может использоваться также в других системах отопления и охлаждения, включая кондиционеры, холодильные установки, использующие в качестве теплоносителя фреоны.
Литература:
1. Политехнический словарь, издание 3. М.: Советская энциклопедия, 1989.
2. Гашо Е.Г., Козлов С.Α., Пузаков B.C., Разоренов Р.Н., Свешников Н.И., Степанова М.В. Тепловые насосы в современной промышленности и коммунальной инфраструктуре. Информационно-методическое издание. - М.: Издательство «Перо», 2016.
3. Патент РФ №2116586.
4. Патент РФ №2655087.
5. Васильев, Г.П. Монография: Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев земли / Г.П.Васильев. ISBN: 5-94691-202-Х. - М.: Изд-во «Граница»- 2006. - 173 с.
6. A. Yu. Chermyanin. PE-RT - New Class of Heat Resistant Polyethylene, https://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=6431