Երկրաջերմային ջերմային պոմպի աշխատանքի գնահատում
Երկրաջերմային ջերմային պոմպը (ՋՋՊ) շենքերի ջեռուցման և սառեցման տեխնոլոգիա է, որն օգտագործում է գետնի կայուն ջերմաստիճանը որպես ջերմության աղբյուր և/կամ կլանիչ: Համեմատած ավանդական այրման վրա հիմնված համակարգերի կամ ավանդական օդորակման հետ, երկրաջերմային ջերմային պոմպերը, որպես կանոն, առաջարկում են ավելի բարձր էներգաարդյունավետություն, ավելի ցածր շահագործման ծախսեր և ավելի ցածր ջերմոցային գազերի արտանետումներ: Այնուամենայնիվ, այս առավելությունները մեծապես կախված են նախագծումից, տեղադրման որակից, տեղական երկրաբանական պայմաններից և շահագործման մեթոդներից: Հետևաբար, երկրաջերմային ջերմային պոմպի աշխատանքի գնահատումը կարևոր է համակարգի սպասվածի պես աշխատանքի ապահովման, խնդիրները վաղ հայտնաբերելու և արդյունավետությունը օպտիմալացնելու համար իր ողջ կյանքի ընթացքում:
Աշխատանքային սկզբունքը և հիմնական բաղադրիչները
Ընդհանուր առմամբ, ԳՀՀ-ն ջերմությունը փոխանցում է մեկ վայրից մյուսը՝ օգտագործելով սառնարանային ցիկլը: Ջեռուցման ռեժիմում ջերմությունը գետնից դուրս է բերվում հեղուկ (ջուր կամ ջուր-անտիֆրիզ խառնուրդ) պարունակող հողանցման օղակի միջոցով: Այնուհետև ջերմաստիճանը բարձրանում է կոմպրեսորի միջոցով և բաշխվում շենքի ջերմաբաշխման համակարգին: Սառեցման ռեժիմում գործընթացը հակադարձ է. ներքին ջերմությունը փոխանցվում է գետնին:
Արդյունավետությունը որոշող հիմնական բաղադրիչներն են՝ (1) ջերմային պոմպի բլոկ (կոմպրեսոր, գոլորշիչ, խտացուցիչ, ընդարձակման փական), (2) գետնի ջերմափոխանակիչ (GHE), որը կարող է լինել հորիզոնական օղակաձև, ուղղահայաց (հորատանցք) կամ բաց համակարգ (վերցնում է ստորգետնյա ջրերը և վերադարձնում դրանք), (3) գետնի օղակաձև հեղուկի շրջանառության պոմպ, (4) շենքում բաշխման համակարգ (օրինակ՝ ճառագայթային հատակ, օդափոխիչ կամ օդի մշակիչ) և (5) կառավարման և սենսորային համակարգ։
Ինչո՞ւ է անհրաժեշտ կատարողականի գնահատումը։
Չնայած տեսականորեն արդյունավետ լինելուն, գործնականում կան բազմաթիվ գործոններ, որոնք կարող են նվազեցնել արդյունավետությունը՝ հորատանցքի անբավարար չափս, ցածր որակի շաղախ, որը հանգեցնում է ոչ օպտիմալ ջերմափոխանակման, հեղուկի անհամապատասխան հոսքի արագություն, խողովակներում օդի առկայություն, ջերմափոխանակիչում աղտոտվածություն կամ անհամապատասխան կառավարման ռազմավարություններ: Արդյունավետության գնահատումը կատարվում է հիմնական հարցերին պատասխանելու համար՝ որքան էլեկտրական էներգիա է օգտագործվում որոշակի ջեռուցման/սառեցման հզորություն ստանալու համար, արդյոք հողի ջերմաստիճանը երկարաժամկետ նվազում/աճ է ապրում (ջերմային շեղում), և արդյոք համակարգը կայուն է գործում ողջ սեզոնի ընթացքում:
Հիմնական ցուցանիշներ՝ COP և EER
Ամենատարածված պարամետրերն են ջեռուցման համար Արդյունավետության գործակիցը (COP) և սառեցման համար էներգաարդյունավետության հարաբերակցությունը (EER): COP-ը սահմանվում է որպես բեռին մատակարարվող ջերմային էներգիայի (կՎտ_րդ) և համակարգի կողմից սպառված էլեկտրական էներգիայի (կՎտ_է) հարաբերակցությունը: Որքան բարձր է COP-ը, այնքան ավելի արդյունավետ է համակարգը: EER-ը նմանատիպ հասկացություն է սառեցման համար, որը սովորաբար արտահայտվում է Btu/Wh-ով, բայց կարող է վերածվել հարաբերակցության:
Գնահատելիս կարևոր է տարբերակել սարքի COP-ը (միայն կոմպրեսորը և ներքին ջերմային պոմպի բաղադրիչները) և համակարգի COP-ը (ներառյալ հողանցման շրջանառող պոմպը, օդորակիչը և լրացուցիչ բաղադրիչները): Շատ դեպքերում սարքի COP-ը թվում է բարձր, բայց համակարգի COP-ը զգալիորեն նվազում է, եթե շրջանառության պոմպը գերծանրաբեռնված է կամ դրա կառավարման համակարգերը անարդյունավետ են:
Չափման մեթոդներ և պահանջվող տվյալներ
Արդյունավետության գնահատումը պահանջում է բավականաչափ համապարփակ չափումներ՝ մոլորեցնող արդյունքներից խուսափելու համար: Իդեալական նվազագույն տվյալները ներառում են՝
1. Էլեկտրաէներգիա. կոմպրեսորների, շրջանառության պոմպերի, օդափոխիչների և ամբողջ համակարգի կՎտժ չափումներ: Առանձին հաշվիչների (ենթահաշվիչների) օգտագործումը օգնում է բացահայտել վատնող բաղադրիչները:
2. Մուտքի/ելքի ջերմաստիճանը (T_in/T_out) հողանցման օղակի կողմում և բեռնման կողմում (ջեռուցման/սառեցման ջուր կամ օդ)՝ ջերմափոխանակումը հաշվարկելու համար:
3. Հեղուկի հոսքի արագությունը հողանցման օղակում և բեռնման շղթայում: Հոսքի չափումների սխալները կարող են հանգեցնել հզորության սխալ հաշվարկների:
4. Աշխատանքային պայմաններ՝ ջերմակարգավորիչի սահմանված արժեք, աշխատանքային ռեժիմ, աշխատանքային տևողություն, միացման-անջատման ցիկլ և եղանակային տվյալներ (դրսի օդի ջերմաստիճան, խոնավություն):
5. Հողի պարամետրեր (եթե առկա են). ջերմահաղորդականություն, ծավալային ջերմունակություն, ստորգետնյա ջրերի խորություն և հորատանցքի կոնֆիգուրացիա։
Շղթայում ջերմունակության հաշվարկը սովորաբար օգտագործում է հետևյալ հիմնական հավասարումը.
Q = ṁ × c_p × (T_out − T_in)
որտեղ Q-ն ջերմափոխանակման արագությունն է (կՎտ), ṁ-ն՝ հեղուկի զանգվածային հոսքի արագությունը, իսկ c_p-ն՝ հեղուկի տեսակարար ջերմությունը։ Այստեղից համակարգի COP-ն կարող է հաշվարկվել որպես Q-ն բաժանած ընդհանուր էլեկտրական հզորության վրա։
Ջերմային արձագանքի փորձարկում
Ուղղահայաց օղակային համակարգերի համար ջերմային արձագանքի թեստը (TRT) հաճախ օգտագործվում է տեղադրումից առաջ կամ հետո՝ հողի և հորատանցքի ջերմափոխանակման հզորությունը գնահատելու համար: TRT-ն որոշակի արագությամբ ջերմություն է ներարկում հորատանցք և դիտարկում է հեղուկի ջերմաստիճանի փոփոխությունը ժամանակի ընթացքում: Արդյունքները տալիս են հողի արդյունավետ ջերմահաղորդականության և հորատանցքի ջերմային դիմադրության գնահատական: Եթե հորատանցքի դիմադրությունը բարձր է, դա կարող է պայմանավորված լինել վատ մանրախճով, խողովակների ոչ օպտիմալ տեղադրմամբ կամ խոռոչներով: Այս տեղեկատվությունը կարևոր է հորատանցքի երկարության նախագծման վավերացման և չափերի փոքրացումից խուսափելու համար, որը կարող է հանգեցնել գագաթնակետային սեզոններին արտադրողականության նվազմանը:
Սեզոնային գնահատում և երկարաժամկետ կատարողական
Երկրաջերմային ջերմային պոմպի աշխատանքը չի չափվում միայն մեկ լուսանկարով։ Համակարգը պետք է գնահատվի բավարար ժամանակահատվածում՝ բեռի և հողի պայմանների տատանումները գրանցելու համար։ Երբ գերակշռում է ձմեռային ջեռուցումը (չորս եղանակային շրջաններում) կամ սառեցումը (արևադարձային/քաղաքային շրջաններում), տեղի է ունենում անհավասարակշռված ջերմափոխանակում։ Այս անհավասարակշռությունը կարող է հանգեցնել հողի ջերմաստիճանի տատանումների. օրինակ, գերակշռող սառեցումը կկուտակի ջերմություն հողում, ինչը կբարձրացնի մուտքային գետնի օղակի ջերմաստիճանը և ժամանակի ընթացքում կնվազեցնի EER-ը։
Կարևոր երկարաժամկետ ցուցանիշ է ջերմային պոմպի մուտքի ջրի ջերմաստիճանի (EWT) միտումը: EWT-ի կայուն աճը սառեցման գերիշխող համակարգում կամ EWT-ի նվազումը ջեռուցման գերիշխող համակարգում ցույց է տալիս հնարավոր թերարտադրողականություն կամ անհավասարակշիռ բեռ գետնի օղակի վրա: Լուծումները կարող են ներառել լրացուցիչ հորատանցքեր, հիբրիդային համակարգի օգտագործում (օրինակ՝ սառեցման աշտարակ կամ փոքր կաթսա) կամ գագաթնակետային բեռը նվազեցնելու կառավարման ռազմավարություն:
Գործառնական գործոններ, որոնք հաճախ նվազեցնում են արդյունավետությունը
Գնահատման ընթացքում հայտնաբերված ցածր արդյունավետության որոշ տարածված պատճառներն են՝
– Անհամապատասխան հոսքի արագություն. չափազանց փոքր հոսքը նվազեցնում է ջերմափոխանակումը և մեծացնում ջերմաստիճանի տարբերությունները, մինչդեռ չափազանց մեծ հոսքը շրջանառության պոմպը վատնում է էլեկտրաէներգիան։
– Օդը, որը կուտակվում է օղակում. առաջացնում է կավիտացիա, աղմուկ, հոսքի տատանումներ և արդյունավետության նվազում։
– Սխալ սահմանված արժեք և կառավարում. կարճատև ցիկլը (չափազանց հաճախ միացնելը և անջատելը) նվազեցնում է արդյունավետությունը և արագացնում կոմպրեսորի մաշվածությունը։
– Անտիֆրիզային հեղուկի սխալ խառնում. չափազանց բարձր կոնցենտրացիան մեծացնում է մածուցիկությունը և պոմպի հզորությունը, իսկ չափազանց ցածր կոնցենտրացիան ձմռանը սառեցման վտանգ է ստեղծում:
– Շենքում բաշխման արդյունավետությունը. եթե բաշխման համակարգը (օրինակ՝ կեղտոտ օդափոխիչ կծիկներ, խցանված ֆիլտրեր կամ անհավասարակշիռ հիդրոնիկա) վատն է, ջերմային պոմպը ստիպված է աշխատել ոչ իդեալական պայմաններում։
Գնահատման մոտեցումներ. աուդիտից մինչև օպտիմալացում
Լավ կատարողականի գնահատումը սովորաբար ներառում է մի քանի փուլ: Նախ, փաստաթղթային և նախագծային աուդիտ. ստուգվում են նախագծային հզորությունը, հորատանցքի երկարությունը, պոմպի տեխնիկական բնութագրերը և կառավարման ռազմավարությունները: Երկրորդ, դաշտային ստուգում. ստուգվում են ֆիզիկական պայմանները, արտահոսքերը, խողովակների մեկուսացումը և տեղադրման որակը: Երրորդ, գործիքային չափումները կատարվում են մի քանի օրվա կամ շաբաթվա ընթացքում՝ տարբեր բեռնվածության պայմաններում: Չորրորդ, տվյալների վերլուծություն է իրականացվում՝ համակարգի COP/EER-ը, տեսակարար էներգիայի սպառումը (կՎտժ/մ²) ստանալու և չափորոշիչներից շեղումները բացահայտելու համար: Վերջապես, իրականացվում է գործողությունների ծրագիր. կառավարման փոփոխություններ, հոսքի ճշգրտումներ, ջերմափոխանակիչի սպասարկում կամ համակարգի փոփոխություններ:
Օպտիմալացումը հաճախ զգալի խնայողություններ է տալիս՝ առանց զգալի ներդրումներ պահանջելու: Օրինակ՝ ավանդական շրջանառության պոմպերի փոխարինումը փոփոխական արագության շարժիչով (VFD) պոմպերով, կառավարման կորերի կարգավորումը՝ հիմնվելով մատակարարման ջերմաստիճանի վրա, կամ կարճ ցիկլերի կրճատում՝ հիդրոնային համակարգերում բուֆերային բաքեր ավելացնելով:
Եզրակացություն
Երկրաջերմային ջերմային պոմպերի աշխատանքի գնահատումը տեխնիկական գործընթաց է, որը համատեղում է էներգիայի չափումը, ջերմային վերլուծությունը և հողի դինամիկայի ու շենքերի բեռների ըմբռնումը: Արդյունավետության այնպիսի չափանիշներ, ինչպիսիք են COP-ը և EER-ը, կարևոր են, բայց ավելի կարևոր են համակարգի ընդհանուր COP-ը և գետնի օղակի ջերմաստիճանի երկարաժամկետ կայունությունը: Ճիշտ չափսերի, ջերմային արձագանքի փորձարկման (անհրաժեշտության դեպքում) և սեզոնային գնահատման միջոցով սեփականատերերն ու օպերատորները կարող են ապահովել, որ տեխնոլոգիան իսկապես ապահովի խոստացված արդյունավետությունը: Վերջիվերջո, պատշաճ կերպով գնահատված և օպտիմալացված GSHP-ն կարող է լինել հուսալի լուծում էներգիայի սպառումը կրճատելու, ջերմային հարմարավետությունը բարելավելու և շինարարական ոլորտի ապաածխածնացման նպատակներին աջակցելու համար:
