Երկրաջերմային ջերմային պոմպերի համակարգերի նախագծում և արդյունավետություն
Երկրաջերմային ջերմային պոմպը (ՋՋՊ) շենքերի ջեռուցման և սառեցման տեխնոլոգիա է, որն օգտագործում է գետնի կայուն ջերմաստիճանը որպես ջերմության աղբյուր կամ կլանիչ: Շատ շրջաններում որոշակի խորության վրա գետնի ջերմաստիճանը մնում է համեմատաբար անփոփոխ ամբողջ տարվա ընթացքում՝ համեմատած արտաքին օդի հետ: Սա թույլ է տալիս երկրաջերմային ջերմային պոմպերին աշխատել ավելի արդյունավետ, քան ավանդական HVAC համակարգերը, հատկապես սեզոնային կտրուկ տարբերություններով կլիմայական պայմաններում: Այս հոդվածը քննարկում է շահագործման սկզբունքները, նախագծման տարբերակները, արդյունավետության գործոնները և գործնական նկատառումները՝ իսկապես էներգաարդյունավետ և հուսալի համակարգ ապահովելու համար:
Երկրաջերմային ջերմային պոմպի աշխատանքի սկզբունքը
Ըստ էության, ջերմային պոմպը ջերմության «փոխանցիչ» է, այլ ոչ թե «ստեղծող»։ Համակարգը ջերմությունը ցածր ջերմաստիճանի աղբյուրից փոխանցում է բարձր ջերմաստիճանի աղբյուր՝ օգտագործելով կոմպրեսոր և սառեցնող նյութ։ Ջեռուցման ռեժիմում ջերմությունը ներծծվում է գետնից (գետնի օղակում շրջանառվող հեղուկի միջոցով), այնուհետև դրա ջերմաստիճանը բարձրանում և բաշխվում է ամբողջ շենքում։ Սառեցման ռեժիմում ջերմափոխանակումը հակադարձվում է. ներսից ջերմությունը հեռացվում և ցրվում է գետնին։
ԳՀՀՊ-ի արդյունավետության հիմքը կայանում է գետնի ավելի կայուն ջերմաստիճանում: Երբ դրսի օդի ջերմաստիճանը շատ ցածր է, օդ-օդ համակարգը (օդի աղբյուր) պետք է ջերմությունը արդյունահանի սառը օդից, ստիպելով կոմպրեսորին ավելի ինտենսիվ աշխատել: Եվ հակառակը, մի քանի մետր խորության վրա գտնվող գետնի մակերեսը մնում է համեմատաբար տաք, ինչը հանգեցնում է աշխատանքային ջերմաստիճանի ավելի փոքր բարձրացման, ինչը նվազեցնում է կոմպրեսորի էլեկտրաէներգիայի սպառումը:
Համակարգի նախագծման կոնֆիգուրացիա՝ հողային օղակ
ԳՀՀ-ի ամենակարևոր նախագծային տարրը գետնի վրա հիմնված ջերմափոխանակիչն է, որը սովորաբար բարձր խտության պոլիէթիլենային (HDPE) խողովակ է, որը ձևավորում է փակ շրջան կամ բաց համակարգ: Կազմաձևման ընտրությունը կախված է ցամաքային տարածքից, երկրաբանական պայմաններից, ստորգետնյա ջրերի առկայությունից և անհրաժեշտ ջեռուցման ու սառեցման հզորությունից:
1) Փակ ցիկլային համակարգ
ա. Հորիզոնական օղակ
Խողովակները թաղվում են հորիզոնական՝ մոտավորապես 1-2 մետր խորությամբ (կախված կլիմայից և կանոնակարգերից): Առավելություններից են հորատման ցածր ծախսերը, մեծ տարածքների համար պիտանիությունը և շահագործման համեմատաբար հեշտությունը: Թերություններից են մեծ տարածքների անհրաժեշտությունը և մակերևութային հողի ջերմաստիճանի սեզոնային տատանումների պատճառով կատարողականի վրա ավելի մեծ ազդեցությունը: Չոր կամ քարքարոտ հողերը կարող են նվազեցնել ջերմության ցրման/կլանման ունակությունը:
բ. Ուղղահայաց օղակ
Խողովակը տեղադրվում է ուղղահայաց հորատանցքի մեջ (օրինակ՝ տասնյակներից մինչև հարյուրավոր մետր), սովորաբար U-աձև կառուցվածքով: Սա տարածված է քաղաքային տարածքներում սահմանափակ հողատարածքների համար և ապահովում է ավելի կայուն գետնի ջերմաստիճան: Թերությունը ավելի բարձր սկզբնական ծախսերն են՝ հորատման և մանրախճով լցման անհրաժեշտության պատճառով (լցում հաղորդիչ նյութով՝ հողի/ապարային կազմավորման հետ լավ ջերմային շփում ապահովելու համար): Այնուամենայնիվ, արդյունավետությունը, որպես կանոն, կայուն է, և հողի հետքը նվազագույն է:
գ. Լճակի/լճի օղակ
Եթե կա բավարար խորության լճակ կամ լիճ, խողովակի կծիկը կարող է ջրի տակ դրվել։ Արժեքը կարող է ավելի ցածր լինել, քան հորատման դեպքում, իսկ ջրի գերազանց ջերմափոխանակությունը բարելավում է արդյունավետությունը։ Սահմանափակումներից են համապատասխան ջրային տարածքի, շրջակա միջավայրի թույլտվությունների և մեխանիկական վնասվածքներից կամ ջրի որակի փոփոխություններից պաշտպանության անհրաժեշտությունը։
2) Բաց ցիկլային համակարգ
Այս համակարգը մղում է ստորգետնյա կամ մակերեսային ջրերը, ջերմափոխանակիչի միջոցով արդյունահանում/ավելացնում է ջերմություն, ապա ջուրը հետ է մղում լիցքավորման հորատանցք կամ ջրային մարմին: Արդյունավետությունը կարող է բարձր լինել ջրի հետ անմիջական ջերմափոխանակման շնորհիվ, սակայն նախագծումն ավելի բարդ է՝ թույլտվության պահանջների, հնարավոր նստվածքագոյացման/կոռոզիայի, աղտոտման ռիսկերի և կայուն ջրի հոսքի առկայության պատճառով: Ոչ բոլոր վայրերն են հարմար այս տարբերակի համար:
Հիմնական բաղադրիչները և նախագծման որոշումները
Հողային շղթայից բացի, ՋՋՀԿ-ն բաղկացած է ջերմային պոմպի բլոկից (կոմպրեսոր, գոլորշիչ-խտացուցիչ, ընդարձակման փական), հողային շղթայի հեղուկի շրջանառության պոմպից, շենքում ներկառուցված բաշխման համակարգից և կառավարման համակարգից։
1. Հողային օղակի հեղուկ
Սառեցման վտանգի տակ գտնվող տարածքներում սովորաբար խառնում են ջուր և հակասառեցուցիչ (պրոպիլենգլիկոլ կամ էթանոլ): Անտիֆրիզի կոնցենտրացիայի ընտրությունը ազդում է մածուցիկության, պոմպի հզորության պահանջների և ջերմափոխանակման հզորության վրա:
2. Շրջանառության պոմպ և հիդրավլիկ դիզայն
Խողովակաշարերի և կոլեկտորի նախագծումը որոշում է ճնշման կորուստը: Եթե խողովակաշարը չափազանց փոքր է կամ երթուղին խճճված է, պոմպի հզորությունը բարձր կլինի, ինչը կնվազեցնի համակարգի ընդհանուր արդյունավետությունը: Հետևաբար, նախագծողները պետք է հավասարակշռեն խողովակաշարի արժեքը պոմպի էներգիայի սպառման հետ դրա ողջ կյանքի ընթացքում:
3. Շենքում ջերմության/սառըության բաշխման համակարգ
Ջերմային ջերմամատակարարման համակարգերը (GSHP) լավագույնս աշխատում են ցածր ջրի ջերմաստիճանի համակարգերում, ինչպիսիք են ճառագայթային հատակները կամ չափավոր մատակարարման ջերմաստիճան ունեցող օդափոխիչ կոյուղիները: Բարձր ջերմաստիճանի ջրի ջեռուցման համար (օրինակ՝ հին ռադիատորներ) ջերմային պոմպերը կարող են աշխատել բարձր վերելքի ջերմաստիճանում, ինչը նվազեցնում է COP-ը: Բաշխման նախագծի կարգավորումը հաճախ էներգախնայողության բանալին է:
4. Գործառնական վերահսկողություն և ռազմավարություն
Լավ կառավարումը կանխում է կարճատև ցիկլերը (հաճախակի միացում-անջատում) և օպտիմալացնում է սահմանված արժեքի կորը: Բազմաստիճան ջերմակարգավորիչները, բուֆերային բաքերը (հիդրոնային համակարգերի համար) և կոմպրեսորների կամ պոմպերի վրա փոփոխական արագության կարգավորումները կարող են բարձրացնել արդյունավետությունը և հարմարավետությունը:
Արդյունավետության ըմբռնում. COP, EER և SPF
Ջերմային պոմպի արդյունավետությունը հաճախ արտահայտվում է հետևյալ կերպ.
– Ջեռուցման ռեժիմի COP (Արդյունավետության գործակից). արտադրված ջերմային էներգիայի և օգտագործվող էլեկտրաէներգիայի հարաբերակցությունը: 4 COP-ը նշանակում է, որ էլեկտրաէներգիայի յուրաքանչյուր 1 կՎտժ-ը արտադրում է 4 կՎտժ ջերմություն:
– Սառեցման ռեժիմի EER (Էներգաարդյունավետության հարաբերակցություն):
– SPF/SCOP (սեզոնային արդյունավետության գործակից). սեզոնային արդյունավետություն, որը հաշվի է առնում բեռի, ջերմաստիճանի և իրական շահագործման տատանումները: Այս ցուցանիշը հաճախ ավելի կարևոր է, քան լաբորատոր COP-ը:
ԳՀՀ-ներում COP-ը սովորաբար բարձր է, քանի որ աղբյուրի (հողի) ջերմաստիճանը կայուն է: Այնուամենայնիվ, վերջնական օգտագործողի փորձը մեծապես կախված է օղակի նախագծումից, տեղադրման որակից և շենքի բեռների հետ համատեղելիությունից:
Արդյունավետության ամենակարևոր որոշիչ գործոնը
1. Հողի ջերմային պայմանները և երկրաբանությունը
Հողի/ապարի ջերմահաղորդականությունը, խոնավությունը և ստորգետնյա ջրերի առկայությունը զգալիորեն ազդում են ջերմափոխանակման վրա: Խոնավ հողը, որպես կանոն, ավելի լավ է, քան չոր հողը: Որոշ ապարային կազմավորումներ կարող են բարձր հաղորդունակություն ունենալ, ինչը օգտակար է ուղղահայաց նախագծերի համար:
2. Հողային օղակի ճիշտ չափը (չափսերը)
Չափազանց փոքր օղակը կարող է հանգեցնել հեղուկի ջերմաստիճանի ծայրահեղ տատանումների, COP-ի նվազման և համակարգի գագաթնակետային հզորությանը չհասնելու ռիսկի: Չափազանց մեծ օղակը մեծացնում է սկզբնական ծախսերը: Չափսերի որոշումը պետք է հիմնված լինի տարեկան գագաթնակետային բեռի և էներգիայի հաշվարկների վրա, այլ ոչ թե մոտավոր գնահատականների:
3. Միավորի հզորության համապատասխանեցումը շենքի բեռին
Չափսերի մեծ բլոկները հակված են կարճատև շահագործման ցիկլի, ինչը նվազեցնում է արդյունավետությունը և արագացնում մաշվածությունը: Փոքր բլոկները հաճախ աշխատում են բարձր բեռնվածության տակ կամ պահանջում են օժանդակ ջեռուցում, ինչը մեծացնում է շահագործման ծախսերը:
4. Շրջանառության պոմպի հզորություն (մակաբույծ հզորություն)
Հաճախ անտեսվող, հեղուկ պոմպերի և փչող սարքերի էլեկտրաէներգիայի սպառումը կարող է նվազեցնել համակարգի ընդհանուր արդյունավետությունը: Լավ հիդրավլիկ նախագծումը, ճիշտ խողովակաշարը և բարձր արդյունավետության պոմպերը կարևոր են SPF-ը պահպանելու համար:
5. Տեղադրման և մանրախճով ամրացման որակը (ուղղահայացքի համար)
Խողովակի և գետնի միջև լավ ջերմային շփումը կարևոր է: Հաղորդիչ շաղախը նվազեցնում է ջերմային դիմադրությունը: Սխալ տեղադրումը, արտահոսքերը կամ վատ միացումները կվատացնեն աշխատանքի արդյունավետությունը և կմեծացնեն խափանման ռիսկը:
6. Ինտեգրացիա կենցաղային տաք ջրի (DHW) համակարգերի հետ
Որոշ գազային ջերմամատակարարման կայաններ կարող են տաքացնել կենցաղային ջուրը ջրատաքացուցիչի կամ հատուկ ռեժիմի միջոցով։ Սա բարելավում է էներգիայի օգտագործումը, հատկապես, երբ սառեցման համակարգը վատնում է ջերմություն, որը կարող է «հավաքվել» տաք ջրի համար։
Տնտեսական և կայունության նկատառումներ
ԳՀՀ-ի սկզբնական արժեքը, որպես կանոն, ավելի բարձր է, քան սովորական օդորակիչի կամ կաթսայի արժեքը՝ պայմանավորված հողային աշխատանքներով/հորատմամբ։ Այնուամենայնիվ, շահագործման ծախսերը կարող են լինել ավելի ցածր և ավելի կայուն։ Լավ իրագործելիության վերլուծությունը հաշվի է առնում.
- էլեկտրաէներգիայի և այլընտրանքային վառելիքի գները,
– տարեկան աշխատանքային ժամեր (բեռնվածության պրոֆիլ),
– հարկային արտոնություններ կամ վարկեր (եթե կան),
- սարքավորումների սպասարկման արժեքը և ծառայության ժամկետը,
– հարմարավետության արժեք և արտանետումների կրճատում։
Բնապահպանական տեսանկյունից, գազային ջերմաէլեկտրակայանները կարող են զգալիորեն կրճատել արտանետումները, հատկապես, եթե էլեկտրաէներգիան ստացվում է ցածր ածխածնային աղբյուրներից: Ավելին, տեղում այրում չկա, ինչը նվազեցնում է տեղական օդի աղտոտվածությունը և գազի հետ կապված անվտանգության ռիսկերը:
Դիզայնի լավագույն փորձը
Որպեսզի համակարգը արդյունավետ լինի, խորհուրդ է տրվում հետևել մի քանի ընդհանուր կանոնների.
1. հզորությունը որոշելուց առաջ անցկացնել շենքի էներգետիկ աուդիտ և բարելավել շենքի պատյանը (մեկուսացում, օդային արտահոսքեր),
2. Օգտագործեք ջեռուցման-սառեցման բեռի ճիշտ հաշվարկներ, այլ ոչ թե միայն շենքի մակերեսը,
3. Ընտրեք օղակի կոնֆիգուրացիան՝ համաձայն հողի և երկրաբանության, և կատարեք ջերմային արձագանքի թեստեր (մեծ նախագծերի համար),
4. առաջնահերթություն տալ ցածր ջերմաստիճանի բաշխմանը (համապատասխան ճառագայթային/կծիկային հատակ),
5. օպտիմալացնել հիդրավլիկան՝ պոմպի հզորությունը նվազագույնի հասցնելու համար,
6. օգտագործեք կառավարման միջոցներ, որոնք կանխում են կարճ ցիկլերը և աջակցում են փոփոխական աշխատանքին։
Penutup
Երկրաջերմային ջերմային պոմպերի համակարգի նախագծումը և արդյունավետությունը մեծապես որոշվում են երեք գործոնների պիտանիությամբ՝ հողի բնութագրերով, շենքի բեռի պահանջներով և շենքի ներսում օղակի և բաշխման ճարտարագիտության որակով: Ճիշտ նախագծման դեպքում, ջերմաէլեկտրական ջերմային պոմպերը ապահովում են բարձր արդյունավետություն, կայուն հարմարավետություն և երկարաժամկետ էներգիայի ծախսերի խնայողության ներուժ: Արտանետումների կրճատման և ջեռուցման էլեկտրաֆիկացման անհրաժեշտության պայմաններում, երկրաջերմային ջերմային պոմպերը դառնում են ժամանակակից շենքերի համար ամենագրավիչ տարբերակներից մեկը՝ բնակելի, առևտրային, թե հաստատությունների, քանի դեռ դրանց նախագծումը խիստ է և հիմնված է տվյալների վրա:
