Արդյունավետության տեխնոլոգիա երկրաջերմային ջերմային պոմպերի համակարգերում

Արդյունավետության տեխնոլոգիա երկրաջերմային ջերմային պոմպերի համակարգերում

Երկրաջերմային ջերմային պոմպերը (GHP) ավելի ու ավելի հաճախ են քննարկվում որպես շենքերի ջեռուցման և սառեցման էներգաարդյունավետ լուծում: Ի տարբերություն բարձր ջերմաստիճանի ջրամբարներ օգտագործող խոշոր երկրաջերմային էլեկտրակայանների, երկրաջերմային ջերմային պոմպերը աշխատում են մակերեսային երկրաջերմային ջերմային աղբյուրների վրա, որոնք պահպանում են համեմատաբար կայուն ջերմաստիճաններ ամբողջ տարվա ընթացքում: Հողի ջերմաստիճանի կայունությունը՝ սովորաբար տասնյակից մինչև քսան աստիճան Ցելսիուս, կախված տեղանքից, թույլ է տալիս GHP-ներին ավելի արդյունավետ փոխանցել ջերմությունը, քան ավանդական HVAC համակարգերը, որոնք ջերմությունը անմիջապես փոխանակում են տատանվող արտաքին օդի հետ: Այս հոդվածը քննարկում է այն հիմնական տեխնոլոգիաները, որոնք երկրաջերմային ջերմային պոմպերի համակարգերը դարձնում են ավելի արդյունավետ՝ սկսած բաղադրիչներից և նախագծումից մինչև կառավարման համակարգեր և ինտեգրում շենքերի համակարգերի հետ:

Աշխատանքային սկզբունքներ և արդյունավետության աղբյուրներ

Ըստ էության, ջերմային պոմպը ջերմային էներգիան փոխանցում է մեկ վայրից մյուսը՝ օգտագործելով սառնարանային ցիկլը: Ջեռուցման ռեժիմում համակարգը ջերմությունը արդյունահանում է գետնից (գետնի խողովակներում շրջանառվող հեղուկի միջոցով) և այնուհետև «բարձրացնում» է դրա ջերմաստիճանը կոմպրեսորի միջոցով՝ այն սենյակ փոխանցելու համար: Սառեցման ռեժիմում գործընթացը հակադարձ է. սենյակից ջերմությունը փոխանցվում է գետնին: Բարձր արդյունավետությունը պայմանավորված է նրանով, որ ջերմային պոմպը չի «ստեղծում» ջերմություն, ինչպես դիմադրողական էլեկտրական ջեռուցիչը, այլ փոխանցում է արդեն իսկ գոյություն ունեցող ջերմությունը: Արդյունավետության տարածված չափանիշներն են ջեռուցման համար COP-ը (Արդյունավետության գործակից) և սառեցման համար EER/SEER-ը: Ավելի կայուն ջերմաստիճանի աղբյուրի դեպքում երկրաջերմային ջերմային պոմպերը հաճախ ավելի բարձր COP են հասնում, քան օդ-օդ ջերմային պոմպերը, հատկապես ծայրահեղ եղանակային պայմաններում:

Փոփոխական արագության կոմպրեսորի տեխնոլոգիա (ինվերտոր)

Վերջին տասնամյակում արդյունավետության ամենամեծ բարելավումներից մեկը փոփոխական արագությամբ կոմպրեսորների օգտագործումն է եղել: Ավանդական միացման/անջատման համակարգերը պահանջում են, որ կոմպրեսորը աշխատի ամբողջ հզորությամբ, ապա անջատվի, ստեղծելով մեկնարկ-կանգառ ցիկլ, որը վատնում է էներգիա և արագացնում մաշվածությունը: Ինվերտորային կոմպրեսորները կարող են կարգավորել արագությունը՝ հիմնվելով շենքի իրական բեռի վրա: Ազդեցությունը՝

1. Էլեկտրաէներգիայի սպառման կրճատում մասնակի բեռի պայմաններում, որոնք իրականում գերակշռում են շահագործման ժամանակի մեծ մասի ընթացքում։
2. Սենյակային ջերմաստիճանի կայունությունն ավելի լավ է, քանի որ ջերմաստիճանի գերբարձրացում/թերբարձրացում չկա։
3. Ավելի երկար բաղադրիչների ծառայության ժամկետ՝ կրճատված մեկնարկ-կանգառի շնորհիվ։

Գործնականում, փոփոխական համակարգերը նաև նպաստում են ավելի ճշգրիտ հզորության նախագծմանը, որպեսզի տեղադրումները չպահանջեն չափազանց «գերչափսային» լինել։

Ջերմափոխանակիչի և հողանցման օղակի օպտիմալ նախագծում

Հողային օղակը շենքի և գետնի միջև հիմնական ջերմափոխանակիչն է: Համակարգի արդյունավետությունը մեծապես որոշվում է օղակի նախագծման որակով, քանի որ սխալ նախագծված օղակը կարող է հանգեցնել հեղուկի չափազանց ցածր կամ չափազանց բարձր ջերմաստիճանի, ինչը կստիպի կոմպրեսորին ավելի ինտենսիվ աշխատել:

Երկու տարածված կոնֆիգուրացիաներ են փակ ցիկլը և բաց ցիկլը.

– Փակ շրջանառվող պոլիէթիլենային խողովակ (սովորաբար HDPE), լցված շրջանառվող ջրի/անտիֆրիզ խառնուրդով: Կարող է տեղադրվել ուղղահայաց (փորվածքով) կամ հորիզոնական (խրամատով), նույնիսկ ջրային մարմիններում (լճակի/լճի շրջան):
– Բաց ցիկլ. ստորգետնյա ջրերի/հորերի օգտագործում որպես աղբյուր և ջերմային կլանիչ (ջրի որակի և թույլտվությունների վերաբերյալ խիստ կանոնակարգերով):

Օղակաձև կողմում արդյունավետության տեխնոլոգիաները ներառում են՝
– Բարձր ջերմահաղորդականությամբ և միաձուլման տեխնիկայով խողովակներ, որոնք նվազագույնի են հասցնում արտահոսքերը և հոսքի դիմադրությունը։
– Ջերմային շաղախ ուղղահայաց հորատանցքերի համար, որը բարելավում է ջերմափոխանակումը խողովակի և հողի/ժայռի միջև։
– Ջերմային մոդելավորում և ջերմային արձագանքի փորձարկում (TRT)՝ հողի հաղորդունակությունը քարտեզագրելու համար, որպեսզի հորատանցքի երկարությունը և օղակների քանակը լինեն անհրաժեշտության դեպքում՝ ոչ շատ փոքր (անարդյունավետ) և ոչ շատ (թանկ)։
– Հեղուկի հոսքի արագության պատշաճ կարգավորում՝ շրջանառության պոմպի ջերմափոխանակման և էներգիայի սպառման հավասարակշռությունը պահպանելու համար։

Ցածր GWP աշխատանքային հեղուկներ և սառնագենտներ

Արդյունավետությունը միայն էլեկտրաէներգիայի օգտագործման, այլև շրջակա միջավայրի վրա ազդեցության մասին չէ: Սառնագենտի առումով, արդյունաբերության միտումը շարժվում է դեպի ցածր գլոբալ տաքացման պոտենցիալ (GWP) ունեցող սառնագենտներ: Սառնագենտի ընտրությունը ազդում է.
- համակարգի աշխատանքային ճնշումը,
- ցիկլի արդյունավետություն,
– անվտանգություն (դյուրավառության/թունավորության դաս),
- նյութական համատեղելիություն:

Սառնագենտից բացի, հողանցման օղակաձև հեղուկները սովորաբար օգտագործում են ջուր՝ հակասառեցնող հավելանյութով (օրինակ՝ պրոպիլենգլիկոլ)՝ ցուրտ կլիմայական պայմաններում սառեցումը կանխելու համար: Ճիշտ բաղադրությունը պահպանում է ցածր մածուցիկություն՝ շրջանառվող պոմպերի կողմից չափազանց էներգիայի սպառումը կանխելու և կոռոզիայի կամ աղտոտման ռիսկը նվազեցնելու համար:

Բարձր արդյունավետության շրջանառության պոմպ և ճնշման դիֆերենցիալ կառավարման համակարգ

Շատ համակարգերում շրջանառության պոմպի էներգիան կարող է լինել կարևոր բաղադրիչ, հատկապես առևտրային կայանքներում: Հետևաբար, բարձր արդյունավետության շարժիչներով փոփոխական արագությամբ պոմպերի օգտագործումը (օրինակ՝ ECM տեխնոլոգիա) դառնում է ավելի տարածված: Դիֆերենցիալ ճնշման սենսորների և ինտելեկտուալ կառավարման համակարգերի միջոցով համակարգերը կարող են.
– նվազեցնել պոմպի արագությունը, երբ ջերմափոխանակման պահանջները ցածր են,
– կայունության համար պահպանել նվազագույն հոսքը,
- նվազեցնում է աղմուկը և թրթռումը։

Արդյունքը էներգախնայողություն է, որը գալիս է ոչ միայն ջերմային պոմպի COP-ից, այլև «Համակարգի հավասարակշռությունից»՝ կոմպրեսորից այն կողմ գտնվող բաղադրիչների ամբողջ էկոհամակարգից։

Ինտելեկտուալ կառավարման համակարգ և BMS ինտեգրացիա

Ժամանակակից կառավարման համակարգերը «պարզապես աշխատող» և իսկապես արդյունավետ համակարգերի միջև հիմնական տարբերությունն են։ Սենսորային և ալգորիթմային կառավարման համակարգերը կարող են կառավարել.
– եղանակին համապատասխան հարմարվողական սահմանված արժեք (բացօթյա վերագործարկում),
- զբաղվածության ժամանակացույցը,
– գոտու առաջնահերթություն,
– անհարկի միաժամանակյա տաքացման-սառեցման գործողություններից խուսափելը։

Առևտրային շենքերում շենքերի կառավարման համակարգի (BMS) հետ ինտեգրումը հնարավորություն է տալիս համապարփակ օպտիմալացման. էլեկտրաէներգիայի, օղակի ջերմաստիճանի, սենյակային ջերմաստիճանի և նույնիսկ փականի ու պոմպի վիճակի տվյալները վերլուծվում են՝ անոմալիաներ հայտնաբերելու համար, ինչպիսիք են աշխատանքի վատթարացումը, կուտակված օդը կամ աղտոտվածությունը: Կանխատեսելի սպասարկման միջոցով արդյունավետության կորուստները կարող են կանխվել նախքան դրանք լուրջ խափանումների վերածվեն:

Հիբրիդային համակարգ և թափոնների ջերմության օգտագործում

Արդյունավետությունը մեծանում է, երբ ջեռուցման և սառեցման բեռները կարող են «համապատասխանեցվել»։ Որոշ շենքերում որոշ գոտիներ պահանջում են սառեցում, իսկ մյուսները՝ ջեռուցում։ Երկրաջերմային համակարգերը կարող են կարգավորվել որպես ջրային ջերմային պոմպեր՝ ընդհանուր օղակով, ինչը թույլ է տալիս մեկ գոտուց հեռացված ջերմությունն օգտագործել մյուսում։

Բացի այդ, կա հիբրիդային երկրաջերմային էներգիայի հայեցակարգը, օրինակ՝
– սառեցման աշտարակի կամ փոքր կաթսայի ավելացում՝ ծայրահեղ ծանրաբեռնվածության գագաթնակետերին դիմակայելու համար,
– նվազեցնել հողանցման օղակի չափը, որպեսզի սկզբնական ծախսերը նվազեցվեն,
– խուսափել գետնի ջերմաստիճանի երկարատև տատանումից այն շենքերում, որտեղ գերիշխում է սառեցումը կամ ջեռուցումը։

Հիբրիդային մոտեցումները հաճախ ավելի տնտեսող են և դեռևս պահպանում են ցածր էներգիայի սպառում, եթե վերահսկողությունը համապատասխան է։

Ջերմային կուտակման և գագաթնակետային բեռի ռազմավարություններ

Ջերմային էներգիայի կուտակման տեխնոլոգիաները, ինչպիսիք են սառեցված/տաք ջրի բաքերը կամ փուլային փոփոխության նյութերը (PCM), կարող են օգնել տեղափոխել բեռը ոչ գագաթնակետային ժամերին: Օգտագործման ժամանակի էլեկտրաէներգիայի սակագներ ունեցող շենքերի սեփականատերերի համար սա նշանակում է շահագործման ծախսերի նվազում: Կուտակումը նաև ջերմային պոմպերի աշխատանքն ավելի կայուն է դարձնում՝ նվազեցնելով ցիկլերը և պահպանելով օպտիմալ COP-ը:

Տեղադրում, շահագործում և կատարման որակ

Թղթի վրա բարձր արդյունավետությունը կարող է խաթարվել վատ տեղադրման պատճառով: Կարևոր դաշտային գործոններից են՝
– խողովակների անկատար եռակցում (միկրոարտահոսքեր),
– օդը կուտակվում է օղակում, ինչը մեծացնում է հոսքի դիմադրությունը,
– ճյուղերի միջև հոսքի անհավասար հավասարակշռություն,
– ներքին խողովակների անբավարար մեկուսացում, որը հանգեցնում է ջերմության կորստի/խտացման,
– սխալ տեղադրված կամ չկարգավորված սենսորներ։

Հետևաբար, շահագործման հանձնումը (սկզբնական փորձարկումը և կարգավորումը) պարտադիր է. հոսքի արագությունների, մուտքի/ելքի ջերմաստիճանների, ճնշումների, էներգիայի սպառման և կառավարման արձագանքի ստուգում: Հիմնական փաստաթղթավորումը նպաստում է երկարաժամկետ արդյունավետության գնահատմանը:

Կիրառման հեռանկարներն ու մարտահրավերները

Արդյունավետ լինելով հանդերձ, երկրաջերմային ջերմային պոմպերը մարտահրավերներ են ներկայացնում՝ սկզբնական հորատման/պեղման ծախսերը, հողի մատչելիությունը, ստորգետնյա ջրերի թույլտվությունները (բաց ցիկլային համակարգերի համար) և գրագետ կապալառուների անհրաժեշտությունը: Այնուամենայնիվ, տեխնոլոգիական միտումները՝ փոփոխական կոմպրեսորները, ինտելեկտուալ կառավարումը, բարելավված խողովակների և շաղախի նյութերը, ինչպես նաև երկրաբանորեն տվյալների վրա հիմնված նախագծումը, շարունակում են նվազեցնել ռիսկը և մեծացնել եկամտաբերությունը: Վերականգնվող էլեկտրաէներգիայի հետ համատեղ, ջերմային ջերմաէլեկտրակայանները շինարարական ոլորտի ածխածնազրկման ամենահզոր ուղիներից մեկն են:

Penutup

Երկրաջերմային ջերմային պոմպի համակարգի արդյունավետությունը միայն մեկ բաղադրիչի մեջ չէ, այլ ինվերտորային կոմպրեսորի, հողանցման օղակի ճիշտ նախագծման, արդյունավետ շրջանառության պոմպի, համապատասխան սառնագենտների և հեղուկների, ինչպես նաև ինտեգրված ինտելեկտուալ կառավարման համակարգերի սիներգիայի մեջ։ Ճիշտ պլանավորման, տեղադրման և շահագործման հանձնման դեպքում այս համակարգը կարող է երկարաժամկետ հեռանկարում ապահովել կայուն, էներգաարդյունավետ և էկոլոգիապես մաքուր ջեռուցում և սառեցում։ Քանի որ տեղադրման ծախսերը շարունակում են նվազել, և որակավորված աշխատուժը հասունանում է, երկրաջերմային ջերմային պոմպերը կարող են դառնալ բարձր արդյունավետությամբ HVAC համակարգերի նոր ստանդարտը բազմաթիվ շենքերի տեսակներում։