집을 난방하기 위한 열 펌프 전력. 개인 주택 난방용 DIY 열 펌프

열 펌프 설계 유형

히트펌프의 유형은 일반적으로 난방 시스템의 소스 매체와 냉각수를 나타내는 문구로 표시됩니다.

다음과 같은 품종이 존재합니다:

• TN "공대공";
• HP "공기-물";
• TN "토양 - 물";
• TN "물-물".

첫 번째 옵션은 난방 모드에서 작동하는 기존 분할 시스템입니다. 증발기는 외부에 설치되고 응축기가 있는 장치는 축사 내부에 설치됩니다. 후자는 팬에 의해 불어져 따뜻한 공기 덩어리가 실내로 공급됩니다.

이러한 시스템에 파이프가 있는 특수 열교환기가 장착되어 있으면 공기-물 열교환기가 생성됩니다. 온수 시스템에 연결되어 있습니다.

"공기 대 공기" 또는 "공기 대 물" 유형의 HP 증발기는 거리가 아닌 배기 환기 덕트에 배치할 수 있습니다(강제해야 함). 이 경우 HP의 효율이 여러 배로 증가합니다.

"물 대 물" 및 "지상 대 물" 유형의 열 펌프는 소위 외부 열 교환기 또는 수집기라고도 하는 열을 추출하는 장치를 사용합니다.

히트펌프 작동의 개략도

이것은 액체가 순환하여 증발기를 세척하는 긴 고리형 파이프(일반적으로 플라스틱)입니다. 두 가지 유형의 HP는 모두 동일한 장치를 나타냅니다. 한 경우에는 수집기가 표면 저수지 바닥에 잠겨 있고 두 번째는지면에 잠겨 있습니다. 이러한 히트펌프의 응축기는 물 가열 시스템에 연결된 열교환기에 위치합니다.

"물-물"방식에 따라 VT를 연결하는 것은 굴착 작업이 필요하지 않기 때문에 "지하수"보다 노동 집약적입니다. 파이프는 저수지 바닥에 나선형으로 놓여 있습니다. 물론 겨울에도 바닥까지 얼지 않는 저수지만이 이 계획에 적합합니다.

외국 경험을 본격적으로 공부할 때가 왔다

이제 거의 모든 사람들이 환경에서 열을 추출하여 건물을 가열할 수 있는 열 펌프에 대해 알고 있으며, 최근까지 잠재 고객이 일반적으로 "이것이 어떻게 가능합니까?"라는 난처한 질문을 했다면 이제는 "이것이 어떻게 옳은가요?"라는 질문을 던집니다. ” 점점 더 들리는가?".

이 질문에 대답하는 것은 쉽지 않습니다.

열 펌프를 사용하여 난방 시스템을 설계할 때 필연적으로 발생하는 수많은 질문에 대한 답을 찾으려면 오랫동안 지상 열 교환기의 열 펌프를 사용해 온 국가의 전문가의 경험을 참고하는 것이 좋습니다.

주로 지상 열 교환기의 엔지니어링 계산 방법에 대한 정보를 얻기 위해 진행된 미국 전시회 AHR EXPO 2008을 방문*했지만 이러한 방향에 대한 직접적인 결과는 얻지 못했지만 ASHRAE 전시 부스에서 책 한 권이 판매되었습니다. 이 출판물의 기초가 된 조항.

미국식 방법을 국내에 접목시키는 것은 쉬운 일이 아니라는 점을 바로 말씀드리고 싶습니다. 미국인의 경우 모든 것이 유럽과 동일하지 않습니다. 그들만이 우리와 같은 단위로 시간을 측정합니다. 다른 모든 측정 단위는 순전히 미국식이거나 오히려 영국식입니다. 미국인들은 특히 미국에서 발명된 단위 시간당 영국 열 단위와 냉각 톤으로 측정할 수 있는 열 흐름에 운이 좋지 않습니다.

그러나 주요 문제는 시간이 지남에 따라 익숙해질 수 있는 미국에서 채택한 측정 단위를 다시 계산하는 기술적인 불편함이 아니라 언급된 책에 계산 알고리즘을 구성하기 위한 명확한 방법론적 기반이 없다는 점이었습니다. . 일상적이고 잘 알려진 계산 방법에 너무 많은 공간을 할애했으며 일부 중요한 조항은 완전히 공개되지 않았습니다.

특히, 열교환기 내부를 순환하는 액체의 온도, 히트펌프의 변환계수 등 수직형 지열교환기 계산을 위한 물리적으로 연관된 초기 데이터는 임의로 설정할 수 없으며, 비정상 열 관련 계산을 진행하기 전에 지상에서 교환하려면 이러한 매개변수를 연결하는 종속성을 결정해야 합니다.

열 펌프의 효율 기준은 변환 계수 τ이며, 그 값은 압축기의 전기 구동 동력에 대한 화력의 비율에 의해 결정됩니다. 이 값은 증발기의 끓는점 t u 및 응축 온도 t k의 함수이며, 물 대 물 열 펌프와 관련하여 증발기 출구 t 2I 및 출구에서의 액체 온도에 대해 이야기할 수 있습니다. 콘덴서 t 2 K:

? = ?(t 2I,t 2K). (1)

직렬 냉동 기계 및 물 대 물 열 펌프의 카탈로그 특성을 분석하여 이 기능을 다이어그램 형식으로 표시할 수 있었습니다(그림 1).

다이어그램을 사용하면 설계 초기 단계에서 히트펌프의 매개변수를 결정하는 것이 어렵지 않습니다. 예를 들어, 히트펌프에 연결된 난방시스템이 공급온도 50°C의 냉각수를 공급하도록 설계한다면, 히트펌프의 최대 가능한 환산계수는 약 3.5가 될 것임은 자명하다. 이 경우 증발기 출구의 글리콜 온도는 +3°C보다 낮아서는 안 되며, 이는 고가의 지열 교환기가 필요하다는 것을 의미합니다.

동시에 바닥 난방을 사용하여 집을 난방하는 경우 35°C 온도의 냉각수가 히트 펌프 응축기에서 난방 시스템으로 흘러 들어갑니다. 이 경우 증발기에서 냉각된 글리콜의 온도가 약 -2°C인 경우 히트 펌프는 예를 들어 변환 계수 4.3으로 더 효율적으로 작동할 수 있습니다.

Excel 스프레드시트를 사용하여 함수 (1)을 방정식으로 표현할 수 있습니다.

0.1729 (41.5 + t 2I – 0.015t 2I t 2K – 0.437 t 2K (2)

원하는 변환 계수와 열 펌프로 구동되는 난방 시스템의 주어진 냉각수 온도 값을 사용하여 증발기에서 냉각된 액체의 온도를 결정해야 하는 경우 방정식 (2)는 다음과 같이 표현될 수 있습니다.

다음 공식을 사용하여 히트 펌프 변환 계수와 증발기 출구의 액체 온도의 주어진 값에서 난방 시스템의 냉각수 온도를 선택할 수 있습니다.

공식 (2)…(4)에서 온도는 섭씨로 표시됩니다.

이러한 종속성을 식별한 후 이제 미국 경험으로 직접 이동할 수 있습니다.

히트펌프 계산 방법

물론 히트펌프를 선택하고 계산하는 과정은 기술적으로 매우 복잡한 작업이고 대상의 개별 특성에 따라 다르지만 대략적으로 다음 단계로 축소할 수 있습니다.

건물 외피(벽, 천장, 창문, 문)를 통한 열 손실이 결정됩니다. 이는 다음 관계를 적용하여 수행할 수 있습니다.

Qok = S*(tin – tout)* (1 + Σ β) *n / Rt(W)여기서

tout – 외부 공기 온도(°C);

주석 - 내부 공기 온도(°C);

S – 모든 둘러싸는 구조물의 총 면적 (m2)

n - 물체의 특성에 대한 환경의 영향을 나타내는 계수입니다. 천장을 통해 외부 환경과 직접 접촉하는 방의 경우 n=1; 다락방 바닥이 있는 객체의 경우 n=0.9; 물체가 지하실 위에 있는 경우 n = 0.75;

β – 구조물 유형 및 지리적 위치에 따라 달라지는 추가 열 손실 계수 β는 0.05에서 0.27까지 다양합니다.

Rt – 열 저항은 다음 식으로 결정됩니다.

Rt = 1/ 내부 α + Σ (δ i / λ i) + 1/ α 외부 (m2*°C / W), 여기서:

δ і / λі – 건축에 사용되는 재료의 열전도도 계산 지표.

α nar – 둘러싸는 구조물의 외부 표면의 열 소산 계수(W/m2*оС);

α 내부 – 둘러싸는 구조물 내부 표면의 열 흡수 계수(W/m2*оС);

— 구조물의 총 열 손실은 다음 공식을 사용하여 계산됩니다.

Qt.pot = Qok + Qi – Qbp, 여기서:

Qi는 자연 누출을 통해 실내로 들어오는 공기를 가열하는 데 필요한 에너지 소비량입니다.

Qbp ​​​​- 가전 제품의 기능 및 인간 활동으로 인한 열 발생.

2. 얻은 데이터를 기반으로 각 개별 개체에 대한 연간 열에너지 소비량이 계산됩니다.

Q연도 = 24*0.63*Qt. 땀.*((d*(tin - tout.av.)/ (tin - tout.))(kW/hour per year.) 여기서:

선전 – 외부 공기 온도;

tout.av – 전체 난방 시즌 동안 외부 공기 온도의 산술 평균 값입니다.

d – 가열 기간의 일수.

Qgv = V * 17(연간 kW/시간) 여기서:

V – 최대 50°C까지 매일 물을 가열하는 양.

그런 다음 열에너지의 총 소비량은 다음 공식에 의해 결정됩니다.

Q = Qgv + Qyear(연간 kW/시간)

얻은 데이터를 고려하면 난방 및 온수 공급에 가장 적합한 히트 펌프를 선택하는 것이 어렵지 않습니다. 또한 계산된 전력은 다음과 같이 결정됩니다. Qтн=1.1*Q, 여기서:

Qтн=1.1*Q, 여기서:

1.1 - 임계 온도 기간 동안 히트펌프의 부하 증가 가능성을 나타내는 보정 계수입니다.

열 펌프를 계산한 후 기술적 특성이 있는 실내에 필요한 미기후 매개변수를 제공할 수 있는 가장 적합한 열 펌프를 선택할 수 있습니다. 그리고 이 시스템을 온돌 바닥 온도 조절 시스템과 통합할 수 있다는 점을 고려하면 기능성뿐만 아니라 높은 미적 가치도 주목할 수 있습니다.

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히트펌프의 종류

히트펌프는 저등급 에너지원에 따라 세 가지 주요 유형으로 구분됩니다.

• 공기.
• 애벌칠.
• 물 - 원천은 지하수와 지표수일 수 있습니다.

보다 일반적인 물 가열 시스템의 경우 다음 유형의 열 펌프가 사용됩니다.

'Air-to-Water'는 외부 장치를 통해 외부 공기를 끌어와 건물을 가열하는 공기식 히트펌프입니다. 이는 에어컨의 원리에 따라 반대로 작동하여 공기 에너지를 열로 변환합니다. 이러한 히트 펌프는 큰 설치 비용이 필요하지 않으며 토지를 할당하거나 특히 우물을 뚫을 필요가 없습니다. 그러나 저온(-25°C)에서는 작동 효율이 떨어지며 추가적인 열에너지원이 필요합니다.

"지하수" 장치는 지열 장치이며 토양이 어는점 이하 깊이에 설치된 수집기를 사용하여 땅에서 열을 추출합니다. 수집기가 수평으로 위치하는 경우 부지 면적과 풍경에 대한 의존도도 있습니다. 수직 위치의 경우 우물을 뚫어야 합니다.

"물-물"은 근처에 연못이나 지하수가 있는 곳에 설치됩니다. 첫 번째 경우 수집기는 저수지 바닥에 놓이고 두 번째 경우에는 현장 면적이 허용하는 경우 우물 또는 여러 개가 뚫립니다. 때로는 지하수의 깊이가 너무 커서 이러한 히트펌프를 설치하는 데 드는 비용이 매우 높을 수 있습니다.

각 유형의 열 펌프에는 고유한 장점과 단점이 있습니다. 건물이 수역에서 멀리 떨어져 있거나 지하수가 너무 깊은 경우 "물 대 물"은 작동하지 않습니다. "공기-물"은 추운 계절의 기온이 -25°C 이하로 떨어지지 않는 비교적 따뜻한 지역에서만 관련이 있습니다.

히트펌프 동력 계산 방법

최적의 에너지원을 결정하는 것 외에도 난방에 필요한 히트펌프 전력을 계산해야 합니다. 이는 건물의 열 손실량에 따라 다릅니다. 구체적인 예를 사용하여 집을 난방하기 위한 히트펌프의 전력을 계산해 보겠습니다.

이를 위해 Q=k*V*ΔT 공식을 사용합니다.

• Q는 열 손실(kcal/시간)입니다. 1kW/h = 860kcal/h;
• V는 집의 부피(m3)입니다(면적에 천장 높이를 곱함).
• ΔT – 연중 가장 추운 기간 동안 실내 및 실외의 최저 온도 비율(°C)입니다. 내부 t에서 우리는 외부 t를 뺍니다.
• k는 건물의 일반화된 열전달 계수입니다. 2개 층의 벽돌로 된 벽돌 건물의 경우 k=1; 단열이 잘 된 건물의 경우 k=0.6입니다.

따라서 100 평방 미터의 벽돌집과 2.5m의 천장 높이를 가열하기위한 열 펌프 전력 계산은 외부 -30 °에서 내부 +20 °까지의 tt ° 차이는 다음과 같습니다.

Q = (100x2.5) x (20-(-30)) x 1 = 12500kcal/시간

12500/860= 14.53kW. 즉, 100m 면적의 표준 벽돌집의 경우 14kW 장치가 필요합니다.

소비자는 다양한 조건에 따라 히트펌프의 유형과 성능을 선택합니다.

• 해당 지역의 지리적 특징(저수지 근접성, 지하수의 존재, 수집가를 위한 자유 토지)
• 기후 특성(온도);
• 방의 유형 및 내부 부피;
• 재정적 기회.

위의 모든 측면을 고려하면 최적의 장비를 선택할 수 있습니다. 히트 펌프를 보다 효율적이고 정확하게 선택하려면 전문가에게 문의하는 것이 더 좋으며 전문가가 더 자세한 계산을 수행하고 장비 설치의 경제적 타당성을 제공할 수 있습니다.

히트펌프는 오랫동안 가정용 및 산업용 냉장고, 에어컨에 성공적으로 사용되어 왔습니다.

오늘날 이러한 장치는 추운 날씨에 집을 난방하는 반대 기능을 수행하는 데 사용되기 시작했습니다.

개인 주택 난방에 열 펌프를 사용하는 방법과 모든 구성 요소를 올바르게 계산하기 위해 알아야 할 사항을 살펴 보겠습니다.

히트펌프 계산의 예

총 면적이 70제곱미터인 단층집의 난방 시스템용 발열체를 선택하겠습니다. m 표준 천장 높이(2.5m), 합리적인 건축 및 현대 건축 규정의 요구 사항을 충족하는 둘러싸는 구조물의 단열 기능을 갖추고 있습니다. 1층 난방용 일반적으로 허용되는 표준에 따르면 그러한 물체의 m에는 100W의 열을 소비해야합니다. 따라서 집 전체를 난방하려면 다음이 필요합니다.

Q = 70 x 100 = 7000W = 7kW의 열에너지.

우리는 화력 W = 7.7kW인 TeploDarom 브랜드(모델 L-024-WLC)의 히트 펌프를 선택했습니다. 장치의 압축기는 N = 2.5kW의 전기를 소비합니다.

저수지 계산

수집기 건설을 위해 할당된 지역의 토양은 점토질이며 지하수 수준이 높습니다(발열량 p = 35W/m로 가정).

컬렉터 전력은 다음 공식에 의해 결정됩니다.

Qk = W – N = 7.7 – 2.5 = 5.2kW.

L = 5200 / 35 = 148.5m(대략).

100m보다 긴 회로를 배치하는 것은 지나치게 높은 유압 저항으로 인해 비합리적이라는 사실을 기반으로 다음을 받아들입니다. 열 펌프 수집기는 길이 100m와 50m의 두 회로로 구성됩니다.

수집가에게 할당해야 하는 사이트 영역은 다음 공식에 의해 결정됩니다.

여기서 A는 윤곽의 인접한 섹션 사이의 단계입니다. 우리는 A = 0.8m를 받아들입니다.

그러면 S = 150 x 0.8 = 120제곱미터입니다. 중.

히트펌프의 회수

어떤 사람이 어떤 것에 투자한 돈을 돌려받는 데 시간이 얼마나 걸릴지에 관해서는 투자 자체가 얼마나 수익성이 있었는지를 의미합니다. 난방 분야에서는 편안함과 따뜻함을 제공하고 모든 시스템이 비싸기 때문에 모든 것이 매우 어렵습니다. 그러나 이 경우 사용 중 비용을 절감하여 지출한 비용을 반환하는 옵션을 찾을 수 있습니다. 그리고 적합한 솔루션을 찾기 시작하면 가스 보일러, 열 펌프 또는 전기 보일러 등 모든 것을 비교하게 됩니다. 어떤 시스템이 더 빠르고 효율적으로 성과를 낼 수 있는지 분석해 보겠습니다.

투자 회수의 개념, 즉 이 경우 기존 열 공급 시스템을 현대화하기 위해 히트 펌프를 도입하는 것은 간단히 말해서 다음과 같이 설명할 수 있습니다.

자율 난방과 온수를 제공하는 개별 가스 보일러라는 하나의 시스템이 있습니다. 한 방에 찬 공기를 공급하는 분할 시스템 에어컨이 있습니다. 3개의 분할 시스템이 서로 다른 방에 설치되었습니다.

그리고 더 경제적 인 첨단 기술이 있습니다. 열 펌프는 집을 가열 / 냉각하고 집이나 아파트에 적합한 양의 물을 가열합니다. 장비의 총비용과 초기 비용이 얼마나 변화했는지 확인하고, 선택한 유형의 장비를 운영하는 데 드는 연간 비용이 얼마나 감소했는지 추정해야 합니다. 그리고 더 비싼 장비가 비용을 절감하고 그 결과로 비용을 지불하는 데 몇 년이 걸릴지 결정하십시오. 이상적으로는 제안된 여러 설계 솔루션을 비교하고 가장 비용 효율적인 솔루션을 선택합니다.

우리는 계산을 수행하고 우크라이나의 열 펌프에 대한 투자 회수 기간이 얼마나 되는지 알아 보겠습니다.

구체적인 예를 살펴보자

• 집은 2층으로 이루어져 있으며, 단열이 잘 되어 있고 총 면적은 150평방미터입니다.
• 열 분배/난방 시스템: 회로 1 – 바닥 난방, 회로 2 – 라디에이터(또는 팬 코일).
• 난방 및 온수 공급(DHW)용 가스 보일러(예: 24kW, 이중 회로)가 설치되었습니다.
• 집의 3개 방에 대한 분할 에어컨 시스템입니다.

연간 난방 및 온수 비용

1. 24kW 가스 보일러(보일러, 배관, 배선, 탱크, 계량기, 설치)가 있는 보일러실의 대략적인 비용은 약 1000유로입니다. 그러한 주택의 에어컨 시스템(하나의 분할 시스템) 비용은 약 800유로입니다. 보일러실 설치, 설계 작업, 가스 파이프라인 네트워크 연결 및 설치 작업을 포함한 총 비용은 6,100유로입니다.

1. 추가 팬 코일 시스템, 설치 작업 및 전기 네트워크 연결을 갖춘 Mycond 열 펌프의 대략적인 비용은 6,650유로입니다.

1. 자본 투자의 성장은 다음과 같습니다: K2-K1 = 6650 – 6100 = 550유로(또는 약 16500 UAH)
2. 운영 비용 절감액은 C1-C2 = 27252 – 7644 = 19608 UAH입니다.
3. 회수 기간 Tokup. = 16500 / 19608 = 0.84년!

히트펌프의 사용 편의성

히트 펌프는 집, 아파트, 사무실 또는 상업 시설의 난방을 위한 가장 다재다능하고 다기능이며 에너지 효율적인 장비입니다.

주간 또는 일일 프로그래밍, 계절 설정 자동 전환, 집안 온도 유지, 경제 모드, 슬레이브 보일러 제어, 보일러, 순환 펌프, 두 난방 회로의 온도 제어 기능을 갖춘 지능형 제어 시스템이 가장 진보되고 발전되었습니다. . 압축기, 팬 및 펌프의 인버터 제어를 통해 에너지를 최대한 절약할 수 있습니다.

지하수 계획에 따라 작업할 때 열 펌프 작동

수집기는 세 가지 방법으로 지상에 설치할 수 있습니다.

수평 옵션

파이프는 토양의 결빙 깊이(평균 1~1.5m)를 초과하는 깊이까지 "뱀" 패턴으로 트렌치에 배치됩니다.

이러한 수집가에는 상당히 넓은 토지가 필요하지만 모든 주택 소유자가 토지를 지을 수 있습니다. 삽으로 작업하는 능력 외에는 기술이 필요하지 않습니다.

그러나 열 교환기를 수동으로 구성하는 것은 노동 집약적인 과정이라는 점을 고려해야 합니다.

수직 옵션

문자 "U" 모양의 루프 형태의 수집관을 깊이 20~100m의 우물에 담그고 필요한 경우 이러한 우물을 여러 개 만들 수 있습니다. 파이프를 설치한 후 우물은 시멘트 모르타르로 채워집니다.

수직 수집기의 장점은 건설에 매우 작은 면적이 필요하다는 것입니다. 그러나 깊이가 20m가 넘는 우물을 스스로 뚫을 수 있는 방법은 없습니다. 굴착기 팀을 고용해야 합니다.

결합옵션

이 수집기는 수평 유형으로 간주될 수 있지만 구성에는 훨씬 적은 공간이 필요합니다.

현장에는 깊이 2m의 둥근 우물이 파여 있습니다.

열교환기 파이프는 나선형으로 배치되어 회로가 수직으로 설치된 스프링처럼 보입니다.

설치 작업이 완료되면 우물이 다시 채워집니다. 수평 열교환기의 경우와 마찬가지로 필요한 모든 작업을 직접 손으로 수행할 수 있습니다.

수집기는 부동액-부동액 또는 에틸렌 글리콜 용액으로 채워져 있습니다. 순환을 보장하기 위해 특수 펌프가 회로에 삽입됩니다. 부동액은 토양의 열을 흡수하여 증발기로 들어가며 부동액과 냉매 사이에 열 교환이 발생합니다.

특히 집열기가 수직으로 위치하는 경우 지면에서 무제한 열 추출은 현장의 지질 및 생태에 바람직하지 않은 결과를 초래할 수 있다는 점을 고려해야 합니다. 따라서 여름에는 "토양-물"유형의 HP를 역방향 모드, 즉 에어컨으로 작동하는 것이 매우 바람직합니다.

가스 가열 시스템에는 많은 장점이 있으며 주요 장점 중 하나는 가스 비용이 저렴하다는 것입니다. 가스 보일러가있는 개인 주택의 난방 다이어그램은 가스로 집 난방을 준비하는 방법을 알려줍니다. 난방 시스템 설계 및 교체 요구 사항을 고려해 보겠습니다.

이 주제에서 집을 난방하기 위해 태양광 패널을 선택하는 기능에 대해 읽어보세요.

수평 히트펌프 수집기 계산

수평 수집기의 효율은 매체의 온도, 열전도율, 파이프 표면과의 접촉 면적에 따라 달라집니다. 계산 방법이 상당히 복잡하므로 대부분의 경우 평균 데이터를 사용합니다.

열교환기의 각 미터는 HP에 다음과 같은 화력을 제공한다고 믿어집니다.

• 10W – 건조한 모래나 암석 토양에 묻었을 때;
• 20W – 건조한 점토 토양에서;
• 25W - 젖은 점토 토양에서;
• 35W – 매우 습한 점토 토양에서.

따라서 집열기의 길이(L)를 계산하려면 필요한 화력(Q)을 토양의 발열량(p)으로 나누어야 합니다.

• 하수구 위의 토지 지역은 개발되거나 그늘이 지거나 나무나 관목이 심어지지 않습니다.
• 나선형의 인접한 회전 또는 "뱀"섹션 사이의 거리는 최소 0.7m입니다.

히트펌프의 작동 원리

모든 HP에는 냉매라는 작동 매체가 포함되어 있습니다. 일반적으로 프레온은 이 역할을 하며 암모니아는 덜 자주 사용됩니다. 장치 자체는 세 가지 구성 요소로만 구성됩니다.

증발기와 응축기는 긴 곡선 튜브(코일)처럼 보이는 두 개의 저장소입니다. 응축기는 압축기의 출구 파이프에 한쪽 끝이 연결되고 증발기는 입구 파이프에 연결됩니다. 코일의 끝부분을 연결하고 그 사이의 접합부에 감압 밸브를 설치합니다. 증발기는 소스 매체와 직접 또는 간접적으로 접촉하고 응축기는 난방 또는 온수 시스템과 접촉합니다.

히트펌프의 작동 원리

HP의 작동은 가스량, 압력 및 온도의 상호 의존성을 기반으로 합니다. 장치 내부에서 일어나는 일은 다음과 같습니다.

1. 증발기를 통해 이동하는 암모니아, 프레온 또는 기타 냉매는 소스 매체에서 예를 들어 +5 도의 온도로 가열됩니다.
2. 증발기를 통과한 후 가스는 압축기에 도달하고 압축기는 이를 응축기로 펌핑합니다.
3. 압축기에 의해 펌핑된 냉매는 감압 밸브에 의해 응축기 내에 유지되므로 이곳의 압력은 증발기보다 높습니다. 알려진 바와 같이, 압력이 증가하면 모든 가스의 온도가 증가합니다. 이것이 바로 냉매에 일어나는 일입니다. 냉매는 60-70도까지 가열됩니다. 응축기는 가열 시스템을 순환하는 냉각수에 의해 세척되므로 후자도 가열됩니다.
4. 감압 밸브를 통해 냉매는 증발기로 소량 배출되고 증발기에서 다시 압력이 떨어집니다. 가스는 팽창하고 냉각되며 이전 단계의 열 교환으로 인해 내부 에너지의 일부가 손실되므로 온도가 원래 +5도 아래로 떨어집니다. 증발기에 이어 다시 가열된 다음 압축기에 의해 응축기로 펌핑되는 방식으로 원을 그리며 진행됩니다. 과학적으로 이 과정을 카르노 사이클이라고 합니다.

그러나 HP는 여전히 매우 수익성이 높습니다. 소비된 전기 1kWh당 3~5kWh의 열을 얻을 수 있습니다.

계산 결과에 대한 초기 데이터의 영향

이제 계산의 최종 결과에 대한 다양한 초기 데이터의 영향을 모니터링하기 위해 계산 중에 구성된 수학적 모델을 사용하겠습니다. Excel에서 수행된 계산을 통해 이러한 분석을 매우 빠르게 수행할 수 있습니다.

먼저, 토양에서 VGT로의 열 흐름 크기가 열전도율에 의해 어떻게 영향을 받는지 살펴보겠습니다.

지열 히트펌프는 건물의 냉난방을 위한 가장 경제적인 방법입니다. 히트펌프의 가격은 높지만 수요가 증가함에 따라 계속 감소하고 있습니다. 이 시스템은 낮은 냉각수 온도를 위해 설계된 바닥 난방 또는 난방 라디에이터 설치에 이상적입니다. 설계할 때 가장 중요한 것은 최적의 전력을 선택하는 것입니다. 지난 기사에서 우리는 열 펌프의 자체 조립에 대해 살펴보았지만 대부분의 사람들에게 더 중요한 정보는 열 펌프를 선택하는 방법, 비용은 얼마이며 고려해야 할 사항은 무엇입니까?

히트펌프 전력 계산

장비를 선택할 때 집의 열 손실을 고려해야 합니다. 그러나 이것이 항상 가능하거나 비용이 많이 드는 것은 아니며, 파워 리저브가 큰 열 펌프를 구입하는 것은 매우 비쌉니다. 따라서 심한 서리가 발생할 경우를 대비해 예비 열원(예: 목재 보일러)이 필요합니다. 이렇게 하면 가장 추운 날씨에 열 손실을 보상하는 데 필요한 전력보다 1/3 적은 전력을 가진 히트 펌프를 선택할 수 있습니다. 이 장비는 다음 세 가지 모드 중 하나로 작동할 수 있습니다.단전기, 1가 및 2가 . 모드 선택은 소비 수준에 따라 다릅니다.

면적에 따른 열 소비량 계산 방법

건물을 단열하고 열 손실을 40-80 W/m²로 줄이기 위한 조치를 취하는 것이 필요합니다. 그런 다음 추가 계산을 위해 다음 데이터를 적용합니다.

1. 단열재가 없는 주택의 난방에는 120W/m²가 필요합니다.
2. 일반 단열재를 사용하는 건물의 경우에도 동일 – 80W/m².
3. 단열 성능이 좋은 새 건물 - 약 50W/m².
4. 에너지 절약 기술을 갖춘 주택 – 40W/m².
5. 수동 에너지 소비량 – 10W/m².

우리는 히트 펌프를 선택하는 방법을 결정할 수 있는 히트 펌프의 대략적인 계산을 제공합니다. 집안의 모든 난방실의 총 면적이 180m²라고 가정해 보겠습니다. 단열이 좋고 열 소비량은 약 9kW입니다. 그러면 열 손실은 180 × 50 = 9000W가 됩니다. 일시적인 정전은 3 × 2 = 6시간으로 간주되지만 건물이 비활성이므로 2시간은 고려하지 않습니다. 최종 수치는 9000W × 24시간 = 216kW 시간입니다. 그러면 216kW 시간 / (18시간 + 2시간) = 10.8kW가 됩니다.
따라서 이 집을 난방하려면 10.8kW 히트펌프를 설치해야 한다. 계산을 단순화하려면 열 손실 값에 20%를 추가해야 합니다(즉, 9000W를 20% 증가). 그러나 이는 국내 수요를 충족시키기 위해 물을 가열하는 비용을 고려하지 않았습니다.

물 가열을 위한 에너지 소비 계산

펌프의 최대 출력을 결정하기 위해 1인당 하루 50리터의 비율로 물을 가열하는 데 필요한 에너지 소비량(최대 t = 45˚C)을 추가합니다. 따라서 4인의 경우 이는 0.35 x 4 = 1.4kW와 같습니다. 따라서 총 전력은 10.8kW + 1.4kW = 12.4kW입니다.

작동 모드에서 전원의 의존성

열증착 계산작동 모드를 고려하여 수행해야 합니다.

1. 1가 모드에는 보조 장비 없이 이 장비를 사용하는 것이 포함됩니다(유일한 장비). 총 열부하를 결정하려면 비상 정전에 대한 보상 비용(최대 - 하루 3회, 2시간)을 고려해야 합니다.
2. 단일 에너지모드: 동일한 유형의 에너지(전기)를 사용하는 두 번째 열 발생기를 사용합니다. 냉각수의 온도를 높여야 하는 경우 시스템에 연결됩니다. 이는 자동(히트 펌프 설치에는 온도 모니터링 센서 및 제어 장비 설치도 포함) 또는 수동으로 수행할 수 있습니다. 하지만 혹독한 겨울 날씨에도 추운 날이 그리 많지 않고, 추가 열 발생 장치를 자주 가동할 필요도 없습니다. 그러나 이러한 난방 조직을 사용하면 장비 비용을 절약할 수 있습니다. 30% 덜 강력한 열 펌프는 더 저렴하지만 난방 기간의 90% 동안 열을 공급하기에 충분합니다.
3. 2가와 함께 모드에서 열 펌프는 가스 보일러 또는 액체 연료로 작동하는 보일러의 도움을 받습니다. 이 프로세스는 온도 센서로부터 정보를 수신하는 프로세서에 의해 제어됩니다. 이러한 장비는 기존 장비에 추가로(건물 재건축 중) 설치할 수 있습니다.

히트펌프 시장 개요

오늘날 시장에는 다양한 종류의 장비가 나와 있습니다. 오스트리아 회사의 지열 히트 펌프에 주목할 가치가 있습니다.옥스너 : 35년 동안 제조사에 의해 개선되었습니다. 잘 확립된 브랜드워터코테 : 이 브랜드의 외부 코팅을 적용한 보일러는 생산성이 가장 높습니다. 러시아 장비 중에서 브랜드 이름으로 생산된 제품을 강조할 수 있습니다.헨크."
향후 비용을 더 쉽게 상상할 수 있도록 주요 장비 및 설치 비용을 표시하겠습니다.

1. 접지 프로브가 있는 히트 펌프:

• 드릴링 작업 - 6,000유로;
• 열 펌프 가격 – 6,000유로;
• 전기 비용 (연간) – 400유로.

2. 수평 매니폴드 사용:

• 펌프 자체의 비용은 약 6,000유로입니다.
• 시추 작업에는 3,000유로가 필요합니다.
• 전기 비용 – 난방 기간 동안 450유로.

3. 공기 히트 펌프:

• 펌프 가격 – 8,000유로;
• 설치 작업 – 500유로;
• 전기 – 600유로.

4. 물 대 물 펌프:

• 펌프는 6,000유로에 구입할 수 있습니다.
• 우물 시추 – 4,000유로;
• 전기 비용 (연간) - 360유로.

이는 약 6~8kW 전력의 장비에 대한 대략적인 데이터입니다. 궁극적으로 모든 것은 다양한 요소(설치 가격, 드릴링 깊이, 필요한 전력 펌프 등)에 따라 달라지며 비용은 몇 배로 증가할 수 있습니다. 그러나 열 펌프를 사용하여 난방을 선택함으로써 고객은 기존 냉각수 가격 상승으로부터 독립하고 열 및 전력 회사의 서비스를 거부할 수 있는 기회를 갖게 됩니다.

히트펌프 기반 시스템 사용에 대한 개요는 이 비디오에서 볼 수 있습니다.

물 가열 및 가열을 위해 낮은 등급의 주변 열을 사용하는 것은 시스템을 장기간 사용하면 경제적으로 유리합니다. 이러한 장치의 광범위한 사용에 대한 장애물은 장비 및 설치의 높은 초기 비용입니다. 따라서 자신의 손으로 열 펌프를 전체 또는 부분적으로 설치하는 것이 항상 중요하므로 상당한 비용을 절약할 수 있습니다.

쌀. 1 집에 있는 물 대 물 열 펌프

난방용 열 펌프를 만들 때 기단, 토양 및 물의 자연적인 저등급 열이 사용됩니다. 수생 종은 우물, 우물, 연못 및 기타 개방형 수역에서 열 에너지를 흡수합니다. 히트펌프는 냉장고처럼 작동하며, 냉장실에서 열을 가져와 외부 라디에이터를 통해 외부로 방출합니다.

설치하는 동안 냉각수가 순환하는 1차 열교환기를 물이 담긴 용기에 넣고 열을 빼냅니다. 물은 워터 펌프로 흡입되어 파이프 시스템을 통과한 다음 증발기로 들어갑니다. 장치에서 액체가 가열되면 증발합니다. 증발기에서 냉각수는 열을 프레온으로 전달하는데, 이 경우 6~8C의 작은 양의 온도가 끓는점이고 기체 냉매가 압축기로 들어갑니다.

그림 2. 물-물 히트펌프 다이어그램

그곳에서 압축되어 가스 온도가 상승하고 콘덴서에 추가로 공급됩니다. 응축기에서는 온도가 40~70C인 가스의 열에너지가 가열 시스템의 물로 전달되고, 냉각된 가스는 응축되어 감압 밸브(스로틀)로 들어갑니다. 압력이 감소합니다. 이로 인해 가스가 액체 상태로 더 많이 냉각되어 증발기로 다시 공급됩니다. 시스템은 순환 폐쇄 순환 모드로 작동합니다.

히트펌프 계산

자신의 손으로 시스템을 설계하려면 먼저 열 에너지의 필요성(집에 온수를 공급하기 위해 펌프를 추가로 사용할 수 있음)과 가능한 손실을 고려하여 계산을 수행해야 합니다. 계산 알고리즘은 다음 작업으로 구성됩니다.

1. 난방실의 면적이 계산됩니다.
2. 얻은 값을 바탕으로 난방에 필요한 총 에너지 양은 평방 미터당 70 - 100 와트의 계산에 따라 결정됩니다. 매개 변수는 천장 높이, 제조 재료 및 집의 열전도도에 따라 다릅니다.
3. 온수공급시 획득값은 15~20% 증가합니다.
4. 수신된 전력을 기반으로 압축기가 선택되고 시스템의 주요 구성 요소(파이프라인, 증발기, 응축기, 전기 펌프 및 기타 구성 요소)가 계산 및 설계됩니다.

독립적으로 제조된 히트펌프를 갖춘 난방 시스템용 부품

일반 주택 소유자가 국내외 제조업체의 산업용 히트 펌프와 경쟁하는 것은 상당히 어렵지만 개별 구성 요소를 설치하고 생산하는 것이 불가능한 작업은 아닙니다. 히트 펌프를 설치할 때 주요 작업은 계산의 정확성입니다. 오류가 있으면 시스템 효율성이 낮아져 비효율적이 될 수 있기 때문입니다.

압축기

설치를 위해서는 새 제품이나 중고 제품이 필요합니다. 압축기는 만료되지 않은 적절한 전력의 자원을 사용하여 작동 상태에 있습니다. 일반적인 압축기 동력은 계산된 동력의 20~30%여야 하며, 피스톤 장치에 비해 효율이 더 높은 냉장고 또는 나선형 에어컨용 표준 공장 장치를 사용할 수 있습니다.

증발기와 응축기

액체를 냉각 및 가열하기 위해 일반적으로 열 교환기가 있는 용기에 배치된 구리 파이프를 통과합니다. 냉각 면적을 늘리기 위해 구리 파이프를 나선형으로 배열하고 면적을 단면적으로 나누는 공식을 사용하여 필요한 길이를 계산합니다. 열 교환 탱크의 부피는 효과적인 열 교환 구현을 기반으로 계산되며 일반적인 평균 값은 약 120 리터입니다. 히트 펌프의 경우 처음에는 나선형 모양이고 코일로 판매되는 에어컨용 파이프를 사용하는 것이 합리적입니다.

쌀. 3 열교환기용 동관 및 탱크

많은 히트 펌프 제조업체는 "파이프-인-파이프(pipe-in-pipe)" 원리에 따른 열 교환을 사용하여 열 교환기를 설계하는 이 방법을 보다 컴팩트한 방법으로 대체했습니다. 증발기용 플라스틱 파이프의 표준 직경은 32mm이고 그 안에 직경 19mm의 구리 파이프가 배치되며 증발기는 단열되어 있으며 열 교환기의 전체 길이는 약 10-12m입니다. 콘덴서의 경우 25mm를 사용할 수 있습니다. 금속 플라스틱 파이프 및 12.7mm. 구리.

그림 4. 구리 및 플라스틱 파이프로 만들어진 열교환기의 조립 및 외관

열 교환기의 면적과 효율을 높이기 위해 일부 장인은 여러 개의 작은 직경의 구리 파이프를 꼬아 서 얇은 와이어로 덮고 구조물을 플라스틱에 넣습니다. 이를 통해 10m 세그먼트에 대해 약 1m3의 열교환 면적을 얻을 수 있습니다.

자동온도조절 밸브

적절하게 선택된 장치는 증발기의 충전 정도를 조절하고 전체 시스템의 성능을 크게 좌우합니다. 예를 들어, 냉매 공급량이 너무 많으면 완전히 증발할 시간이 없으며 액체 방울이 압축기로 유입되어 작동이 중단되고 출구 가스 온도가 감소합니다. 압축기의 온도를 높인 후 증발기의 프레온이 너무 적으면 필요한 양의 물을 예열하기에 충분하지 않습니다.

쌀. 5 히트펌프 기본장비

센서

사용 편의성, 작동 모니터링, 오류 감지 및 시스템 설정을 위해서는 온도 센서가 내장되어 있어야 합니다. 정보는 시스템 작동의 모든 단계에서 중요하며 공식을 사용하여 수열 펌프에 설치된 장비의 가장 중요한 매개변수인 COP 효율성 지표를 설정할 수 있습니다.

펌프 장비

열 펌프가 작동하면 물 펌프를 사용하여 우물, 우물 또는 열린 저수지에서 물을 가져와 공급합니다. 수중 또는 표면 유형을 사용할 수 있으며 일반적으로 전력이 낮고 100-200W이면 물을 공급하기에 충분합니다. 작동을 제어하고 펌프와 시스템을 보호하기 위해 필터, 압력계, 수량계 및 단순 자동화 장치가 추가로 설치됩니다.

쌀. 6 자체조립 히트펌프의 모습

구리 용접 및 납땜을 위한 특수 도구를 다루는 방법을 알고 있다면 자신의 손으로 히트 펌프 장비를 조립하는 데 큰 어려움이 없습니다. 완료된 작업은 상당한 자금을 절약하는 데 도움이 될 것입니다. 구성 요소 비용은 약 600 USD입니다. 즉, 산업용 장비 구입 비용이 10배(약 6000달러) 더 들게 됩니다. 자체 조립 구조는 적절하게 계산되고 구성되면 약 4의 효율(COP)을 가지며 이는 산업 설계에 해당합니다.

아시다시피 히트펌프는 무료 재생 가능 에너지원을 사용합니다. 즉, 공기, 토양, 지하, 개방형 비동결 저장소, 폐수 및 폐수, 공기의 저등급 열은 물론 기술 기업의 폐열도 사용합니다. 이를 모으기 위해 전기가 소비되는데, 소비되는 전기에너지량 대비 열에너지를 받은 양의 비율은 약 3~7배 정도이다.

난방 목적으로 사용되는 우리 주변의 저등급 열원에 대해서만 이야기하면 다음과 같습니다. 온도가 -3 ~ +15 °C인 외부 공기, 실내에서 배출되는 공기(15~25 °C), 하층토(4~10 °C) 및 지하수(약 10 °C), 호수 및 강물(5 -10°C), 지표면(어는점 이하)(3~9°C) 및 깊은 땅(6m 이상~8oC).

환경(내부 구역)으로부터 열 추출.

액체 작동 매체인 냉매가 저압에서 증발기로 펌핑됩니다. 증발기 주변 온도의 열 수준은 해당 작동 매체의 끓는점보다 높습니다(냉매는 영하의 온도에서도 끓을 수 있도록 선택됩니다). 이러한 온도 차이로 인해 열이 환경, 작업 환경으로 전달되며, 이 온도에서 끓고 증발합니다(증기로 변함). 이를 위해 필요한 열은 위의 낮은 잠재력 열원에서 가져옵니다.

재생 가능 에너지원에 대해 자세히 알아보기

대기 또는 환기 공기가 열원으로 선택된 경우 공기-물 방식에 따라 작동하는 열 펌프가 사용됩니다. 펌프는 내장형 또는 원격 응축기를 사용하여 실내 또는 실외에 설치할 수 있습니다. 팬을 사용하여 열교환기(증발기)를 통해 공기를 불어넣습니다.

상대적으로 온도가 낮은 지하수나 지구 표층의 토양은 낮은 전위의 열에너지원으로 사용될 수 있습니다. 토양 덩어리의 열 함량은 일반적으로 더 높습니다. 지구 표면층의 토양 열 체계는 두 가지 주요 요인, 즉 표면에 입사하는 태양 복사와 지구 내부에서 나오는 방사성 열 흐름의 영향으로 형성됩니다. 태양 복사 강도와 외부 기온의 계절적 및 일일 변화는 토양 상층의 온도 변동을 유발합니다. 특정 토양 및 기후 조건에 따라 외부 기온의 일일 변동 및 입사 태양 복사 강도의 침투 깊이는 수십 센티미터에서 1.5미터에 이릅니다. 외부 기온의 계절적 변동의 침투 깊이와 입사 태양 복사 강도는 일반적으로 15-20m를 초과하지 않습니다.

수평 열교환기의 유형:

1. 직렬 연결된 파이프로 만들어진 열교환기;
2. 병렬 연결된 파이프로 만들어진 열교환기;
3. 트렌치에 놓인 수평 수집기;
4. 루프형 열교환기;
5. 수평으로 위치한 나선형 열 교환기(소위 "슬링키" 수집기);
6. 수직으로 위치한 나선형 형태의 열교환 기.

물은 태양열을 잘 축적합니다. 추운 겨울에도 지하수의 온도는 +7~+12°C로 일정합니다. 이것이 이 열원의 장점이다. 이 열원은 온도가 일정하기 때문에 히트펌프를 통해 일년 내내 높은 전환율을 보입니다. 불행하게도 지하수는 모든 곳에서 충분한 양으로 제공되지 않습니다. 지하수를 공급원으로 사용하는 경우 수중 펌프를 사용하여 우물에서 "물 대 물 / 개방형 시스템"방식에 따라 작동하는 히트 펌프의 열 교환기 (증발기) 입구까지 공급이 수행됩니다. 열 교환기 출구에서 물은 다른 우물로 펌핑되거나 저수지로 버려집니다. 개방형 시스템의 장점은 상대적으로 저렴한 비용으로 많은 양의 열에너지를 얻을 수 있다는 것입니다. 그러나 우물에는 유지 관리가 필요합니다. 또한 이러한 시스템을 모든 분야에서 사용할 수 있는 것은 아닙니다. 토양 및 지하수의 주요 요구 사항은 다음과 같습니다.
- 토양의 충분한 투과성으로 물 보유량을 보충할 수 있습니다.
- 파이프 벽에 침전물 형성 및 부식과 관련된 문제를 방지하는 지하수의 화학적 조성이 우수합니다(예: 낮은 철 함량).

개방형 시스템은 대형 건물에 난방 또는 냉방을 공급하는 데 더 자주 사용됩니다. 세계 최대 규모의 지열 열전달 시스템은 지하수를 저등급 열 에너지원으로 사용합니다. 이 시스템은 미국 켄터키주 루이빌에 있습니다. 이 시스템은 호텔 및 사무실 단지의 냉난방 공급에 사용됩니다. 그 전력은 약 10MW이다.

저수지라는 또 다른 소스를 선택해 보겠습니다. 플라스틱 파이프의 루프를 바닥에 놓을 수 있는 "물-물/폐쇄 시스템" 방식입니다. 에틸렌 글리콜 용액(부동액)은 파이프라인을 통해 순환하며, 히트펌프의 열교환기(증발기)를 통해 냉매로 열을 전달합니다.
토양은 장기간에 걸쳐 태양에너지를 축적하는 능력을 갖고 있어 일년 내내 열원의 온도가 비교적 균일하여 히트펌프의 변환계수가 높다. 토양 상층의 온도는 계절에 따라 다릅니다. 결빙선 아래에서는 이러한 온도 변동이 크게 감소합니다. 지면에 축적된 열은 수평으로 놓인 밀봉된 열 교환기(지상 수집기라고도 함) 또는 수직으로 놓인 열 교환기(지열 프로브)를 통해 추출됩니다. 주변 열은 물과 에틸렌 글리콜(염수 또는 매체)의 혼합물에 의해 전달되며, 어는점은 약 -13°C여야 합니다(제조업체 데이터 고려). 덕분에 작동 중에 염수가 얼지 않습니다.
이는 지면에서 낮은 등급의 열을 얻는 데 두 가지 가능한 옵션이 있음을 의미합니다. 해당 지역의 기후 조건 또는 깊이 20-100m의 수직 우물에 따라 깊이 1.3-1.7m의 트렌치에 플라스틱 파이프를 수평으로 배치합니다. 트렌치에 파이프를 배치하는 것도 다음과 같은 형태로 수행될 수 있습니다. 나선형이지만 부설 깊이가 2-4m이면 트렌치의 전체 길이가 크게 줄어 듭니다. 표면 토양의 최대 열 전달은 m.p.당 7~25W이고, 지열은 m.p.당 20~50W입니다. 제조 회사에 따르면 트렌치와 우물의 사용 수명은 100년 이상입니다.

수직 지상 열교환기에 대해 조금 더 자세히 설명합니다.

1986년부터 스위스 취리히 근처에서 수직 지상 열교환기를 갖춘 시스템에 대한 연구가 수행되었습니다. 지반에 깊이 105m의 수직동축형 지중열교환기를 설치하였으며, 이 열교환기는 단독주택 주거용 건물에 설치된 열전달 시스템의 저등급 열에너지원으로 사용되었다. 수직형 지상 열교환기는 길이 미터당 약 70W의 최대 전력을 제공하여 주변 지상에 상당한 열 부하를 생성했습니다. 연간 열에너지 생산량은 약 13MWh이다.
주 우물에서 0.5m와 1m 거리에 두 개의 추가 우물을 뚫었고 여기에 온도 센서가 1, 2, 5, 10, 20, 35, 50, 65, 85 및 105m 깊이에 설치되었습니다. 그 후 우물은 점토-시멘트 혼합물로 채워졌습니다. 온도는 30분마다 측정되었습니다. 지면 온도 외에도 냉각수의 이동 속도, 압축기 구동에 의한 에너지 소비, 공기 온도 등 다른 매개 변수가 기록되었습니다.

첫 번째 관찰기간은 1986년부터 1991년까지였다. 측정 결과에 따르면 외부 공기 열과 태양 복사열의 영향은 최대 15m 깊이의 토양 표층에서 관찰되며, 이 수준 아래에서는 주로 열로 인해 토양의 열 체제가 형성됩니다. 지구 내부의 모습. 처음 2~3년간 운영하는 동안 수직 열 교환기 주변 토양의 온도는 급격히 떨어졌지만 매년 온도 강하가 줄어들었고 몇 년 후에 시스템은 온도가 일정에 가까운 상태에 도달했습니다. 열 교환기 주변의 토양 질량은 초기보다 1 낮아졌습니다.-2 °C.

시스템이 가동되기 시작한 지 10년 후인 1996년 가을에 측정이 재개되었습니다. 이러한 측정 결과, 지상 온도는 크게 변하지 않은 것으로 나타났습니다. 이후 몇 년 동안 연간 난방 부하에 따라 0.5°C 이내의 지온이 약간 변동하는 것으로 기록되었습니다. 따라서 시스템은 처음 몇 년 동안 작동한 후 준정지 모드에 도달했습니다.

실험 데이터를 바탕으로 토양 덩어리에서 일어나는 과정에 대한 수학적 모델이 구축되었으며, 이를 통해 토양 덩어리의 온도 변화에 대한 장기 예측이 가능해졌습니다.

수학적 모델링에 따르면 연간 온도 감소는 점차 감소하고 온도 감소에 따라 열교환기 주변 토양 질량의 부피는 매년 증가할 것으로 나타났습니다. 운영 기간이 끝나면 재생 과정이 시작됩니다. 토양 온도가 상승하기 시작합니다. 재생 과정의 성격은 열 "선택" 과정의 성격과 유사합니다. 작동 첫 해에는 토양 온도가 급격히 상승하고 이후 몇 년 동안 온도 상승률이 감소합니다. "재생" 기간은 작동 기간에 따라 달라집니다. 이 두 기간은 거의 동일합니다. 고려중인 경우, 지중열교환기의 운전기간은 30년이며, 재생기간 역시 30년으로 추정된다.

따라서 지구의 저등급 열을 사용하는 건물의 냉난방 시스템은 어디에서나 사용할 수 있는 신뢰할 수 있는 에너지원입니다. 이 소스는 꽤 오랫동안 사용할 수 있으며 운영 기간이 끝나면 갱신할 수 있습니다.

수평 히트펌프 수집기 계산

파이프의 각 미터에서 열 제거는 부설 깊이, 지하수의 존재 여부, 토양 품질 등 다양한 매개변수에 따라 달라집니다. 대략적으로 수평 컬렉터의 경우 20W.m.p라고 가정할 수 있습니다. 보다 정확하게는 마른 모래 - 10, 마른 점토 - 20, 젖은 점토 - 25, 수분 함량이 높은 점토 - 35 W.m.p. 계산 시 루프의 전진 및 복귀 라인의 냉각수 온도 차이는 일반적으로 3°C로 간주됩니다. 수집 장소에는 지구의 열을 식히기 위해 건물을 세워서는 안됩니다. 우리의 에너지 원은 태양 복사 에너지로 보충되었습니다.

놓인 파이프 사이의 최소 거리는 0.7-0.8m 이상이어야 하며 한 트렌치의 길이는 30m에서 150m까지 다양할 수 있으므로 연결된 회로의 길이가 거의 동일한 것이 중요합니다. 1차 냉각제로 어는점이 약 -13oC인 에틸렌 글리콜 용액(중간)을 사용하는 것이 좋습니다. 계산 시 온도 0°C에서 용액의 열용량을 고려해야 합니다. 는 3.7 kJ/(kg K)이고 밀도는 1.05 g/cm 3 입니다. 매체를 사용할 때 파이프의 압력 손실은 물을 순환시킬 때보다 1.5배 더 큽니다. 히트 펌프 설치의 기본 회로 매개변수를 계산하려면 매체의 유량을 결정해야 합니다.

대 = Qo 3600 / (1.05 3.7 .t),
여기서 t는 공급 라인과 복귀 라인 사이의 온도 차이로, 종종 3oK와 동일하게 사용됩니다. 그러면 Qo는 낮은 전위 소스(접지)에서 받는 화력입니다. 후자의 값은 히트 펌프의 총 전력 Qwp와 냉매 가열에 소비된 전력 P의 차이로 계산됩니다.

Qo = Qwp - P, kW.

수집기 파이프 L의 총 길이와 해당 면적 A의 총 면적은 다음 공식을 사용하여 계산됩니다.

여기서 q는 (파이프 1m에서) 특정 열 제거입니다. da - 파이프 사이의 거리(피치 배치).

계산 예. 히트펌프.
초기 조건 : 120-240m2 면적의 별장의 열 수요 (침투를 고려한 열 손실 기준) - 13kW; 난방 시스템의 수온은 35°C(바닥 난방)로 설정됩니다. 증발기 출구의 최소 냉각수 온도는 0°C입니다. 건물을 난방하기 위해 기존 기술 장비 범위에서 3.22kW에 달하는 열 에너지를 지상에서 선택하고 전달할 때 매체 점도에 대한 손실을 고려하여 14.5kW 용량의 히트 펌프를 선택했습니다. 토양 표면층(건조 점토)에서 열 제거, q는 20W/m.p와 같습니다. 공식에 따라 다음을 계산합니다.

1) 수집기의 필요한 화력 Qo = 14.5 - 3.22 = 11.28 kW;
2) 총 파이프 길이 L = Qo/q = 11.28/0.020 = 564 m.p. 이러한 수집기를 구성하려면 길이가 100m인 6개의 회로가 필요합니다.
3) 0.75m의 설치 단계에서 필요한 부지 면적은 A = 600 x 0.75 = 450m2입니다.
4) 에틸렌 글리콜 용액의 총 충전량 Vs = 11.28 3600/ (1.05 3.7 3) = 3.51 m3, 한 회로에서 0.58 m3입니다.

수집기를 설치하려면 32x3 크기의 플라스틱 파이프를 선택합니다. 그 안의 압력 손실은 45 Pa/m.p.입니다. 한 회로의 저항은 약 7kPa입니다. 냉각수 흐름 속도 - 0.3m/s.

프로브 계산

깊이 20~100m의 수직 우물을 사용하는 경우 U자형 플라스틱 파이프(직경 32mm)를 그 안에 담급니다. 일반적으로 두 개의 루프가 하나의 우물에 삽입되고 현탁 용액으로 채워집니다. 평균적으로 이러한 프로브의 비열 제거는 50W/m.p와 같습니다. 열 제거에 관한 다음 데이터에 집중할 수도 있습니다.

• 건조 퇴적암 - 20 W/m;
• 암석질 토양 및 물로 포화된 퇴적암 - 50 W/m;
• 열 전도성이 높은 암석 - 70 W/m;
• 지하수 - 80W/m.

15m 이상의 깊이에서 토양 온도는 일정하며 약 +9 °C입니다. 우물 사이의 거리는 5m 이상이어야 하며 지하 흐름이 있는 경우 우물은 흐름에 수직인 선에 위치해야 합니다.
파이프 직경의 선택은 필요한 냉각수 흐름에 대한 압력 손실을 기준으로 수행됩니다. 액체 흐름 계산은 t = 5°C에서 수행될 수 있습니다.

계산 예.

초기 데이터는 위의 수평 저수지 계산과 동일합니다. 프로브 비열 제거율이 50W/m이고 필요한 전력이 11.28kW인 경우 프로브 길이 L은 225m가 되어야 합니다.
수집기를 설치하려면 깊이 75m의 우물 3개를 뚫어야 하며, 각 우물에는 표준 크기 32x3의 파이프 루프 2개를 배치합니다. 총 - 각각 150m의 6개 회로.

t = 5°C에서 총 냉각수 유량은 2.1m3/h입니다. 한 회로를 통과하는 유량은 0.35m3/h입니다. 회로는 다음과 같은 유압 특성을 갖습니다: 파이프의 압력 손실 - 96 Pa/m(냉각수 - 25% 에틸렌 글리콜 용액); 회로 저항 - 14.4kPa; 유속 - 0.3m/s.

장비 선택

부동액의 온도는 -5 ~ +20°C로 다양할 수 있으므로 히트펌프 설치의 1차 회로에는 유압 팽창 탱크가 필요합니다.
또한 히트펌프의 가열(응축기) 라인에 저장 탱크를 설치하는 것이 좋습니다. 히트펌프 압축기는 "켜기-끄기" 모드에서 작동합니다. 너무 자주 시동하면 부품의 마모가 가속화될 수 있습니다. 탱크는 정전 시 에너지 저장 장치로도 유용합니다. 최소 부피는 열 펌프 전력 1kW 당 20-30 리터의 비율로 사용됩니다.

두 번째 에너지원(전기, 가스, 액체 또는 고체 연료 보일러)인 2가 보일러를 사용하는 경우 열수력 분배기이기도 한 배터리 탱크를 통해 회로에 연결됩니다. 보일러의 활성화는 히트 펌프 또는 상위 자동화 시스템.
정전이 발생할 수 있는 경우 f = 24/(24 - t off) 공식으로 계산된 계수로 설치된 열 펌프의 전력을 늘릴 수 있습니다. 여기서 t off는 전원 공급 중단 기간입니다.

4시간 동안 정전이 발생할 경우 이 계수는 1.2가 됩니다.
히트펌프의 출력은 작동의 1가 또는 2가 모드에 따라 선택할 수 있습니다. 첫 번째 경우에는 히트펌프가 유일한 열에너지 생성 장치로 사용된다고 가정합니다.

고려해야 할 점은 우리나라에서도 기온이 낮은 기간은 난방 시즌의 작은 부분입니다. 예를 들어, 러시아 중부 지역의 경우 기온이 -10°C 아래로 떨어지는 시간은 900시간(38일)에 불과한 반면 계절 자체의 지속 시간은 5112시간이며 1월 평균 기온은 대략 -10°C입니다. 10℃ 따라서 공기 온도가 특정 수준 이하로 떨어지는 기간 동안 추가 소스를 켜는 2가 모드로 히트펌프를 작동하는 것이 가장 적절합니다. 러시아 남부 지역은 -5°C, 남부 지역은 -10°C입니다. 중앙 지역. 이를 통해 히트 펌프 비용, 특히 설치 전력이 증가함에 따라 크게 증가하는 기본 회로 설치(트렌치 설치, 우물 굴착 등) 비용을 줄일 수 있습니다.

러시아 중부 지역의 조건에서 2가 모드로 작동하는 히트펌프를 선택할 때 대략적인 추정을 위해 70/30의 비율에 집중할 수 있습니다. 열 수요의 70%는 히트펌프로 충당됩니다. 나머지 30%는 전기 또는 기타 열 에너지원에 의해 발생합니다. 남부 지역에서는 서유럽에서 자주 사용되는 열 펌프의 출력과 추가 열원의 비율을 50 대 50으로 안내할 수 있습니다.

4인용 200m2 면적의 별장에서 열 손실이 70W/m2(외기 온도 -28°C에서 계산)인 경우 열 요구량은 14kW입니다. 위생적인 온수를 준비하려면 이 값에 700W를 추가해야 합니다. 결과적으로 필요한 열펌프 전력은 14.7kW가 됩니다.

일시적인 정전 가능성이 있는 경우 이 숫자를 적절한 비율로 늘려야 합니다. 일일 정지 시간이 4시간이라고 가정하면 열 펌프의 전력은 17.6kW(증가 계수 - 1.2)가 되어야 합니다. 1가 모드의 경우 17.1kW 출력의 지하수 히트펌프를 선택해 6.0kW의 전력을 소비할 수 있다.

추가 전기 히터가 있고 온수 및 안전 계수가 필요하기 때문에 냉수 공급 온도가 10 ° C 인 2가 시스템의 경우 히트 펌프의 전력은 11.4W, 전기 보일러-6.2kW (총- 17.6) . 시스템이 소비하는 최대 전력은 9.7kW입니다.

열 펌프가 1가 모드로 작동할 때 계절별로 소비되는 전기의 대략적인 비용은 500 루블이고, 2가 모드에서는 (-10C) - 12,500 이하의 온도에서 적절한 보일러만 사용할 때의 에너지 비용은 다음과 같습니다. - 42,000, 디젤 연료 - 25,000, 가스 - 약 8,000 루블. (공급된 파이프가 있고 러시아에 존재하는 낮은 가스 가격이 있는 경우) 현재 우리 여건상 히트펌프는 운전효율면에서 신형 시리즈의 가스보일러와 비교할 수 없을 뿐이며, 운전비용, 내구성, 안전성(보일러실 불필요), 환경친화성 면에서 모든 것을 능가합니다. 다른 유형의 열 에너지 생산.

히트 펌프를 설치할 때 우선 건물을 단열하고 열전도율이 낮은 이중창을 설치해야 건물의 열 손실을 줄여 작업 및 장비 비용을 줄일 수 있습니다.