26
Работающие фанкойлы прежде всего охлаждают воздух в помещении, а не
поверхности. [19]
При использовании TABs температура помещения в течение дня
меняется в относительно небольшом диапазоне, величина температурного
дрейфа составляет 0,5–1,0 °C/ч, что обеспечивает комфортные условия.
В кондиционируемых помещениях при высокой температуре воздуха
летом существенное повышение его подвижности недопустимо, так как
вызывает ощущение дискомфорта. При температуре воздуха 23-24°С следует
считать допустимой скорость движения воздуха до 0,15 м/с. Работающая
система TABs не вызывает сквозняков и шума в помещениях в отличии от
кондиционирования воздуха за счет фанкойлов. Для снижения шумовой
нагрузки и повышения уровня теплового комфорта потребуется установка
фанкойлов повышенной мощности, что повлечет повышение капитальных
затрат, расходов на техническое обслуживание и энергопотребление.
В эксплуатации объекта важную роль играет система автоматического
управления и диспетчеризации инженерных систем. [26]
В принципе, система TABs для достижения лучшей однородности
суточных температур в помещении требует только простого управления. В
действительности арендаторы не хотят регулировать систему
кондиционирования воздуха слишком много при достаточном уровне
теплового комфорта. За счет того, что температура воды в трубах близка к
температуре в помещениях, система TABs практически регулирует себя
(«эффект саморегулирования»). Это означает, что изменение температуры в
помещении за счет внешних факторов может влиять на теплообмен между
воздухом и поверхностью потолка и как следствие уменьшение/повышение
плотности теплового потока. [26]
Система TABs предполагает зональное регулирование. Зонирование
осуществляется на основании интенсивности солнечного излучения по
27
сторонам здания, внутренних нагрузок (освещение, оборудование, люди), а
также теплопотерь зимой (угловые помещения). [26]
Ключевой частью стратегии управления системой TABs является
погодозависимое управление температурой подачи тепло/холодоносителя на
основании средней температуры наружного воздуха за последние 24-48
часов.
Интенсивность солнечной радиации, поступающей в помещение может
быть ограничена использованием внутренних жалюзи, при этом арендатор
может самостоятельно изменять степень их открытия/закрытия.
В качестве дополнительной возможности для индивидуального
регулирования в отдельных помещениях в сравниваемую затратную часть
заложены “thermal sockets” (система Contec TS), что позволяет в дальнейшем
арендаторам установить и подключить охлаждающие панели там, где это
необходимо (например, переговорные). [26]
Герметичность здания, контролируемая возможность открытия окон, а
также работа системы приточно-вытяжной вентиляции обеспечивают
необходимый температурновлажностный режим в помещениях офисов,
исключающий выпадение конденсата на охлажденных поверхностях потолка.
1.3 Современные решения получения тепловой энергии тепловыми
насосами
Существует три основных способа получения геотермальной энергии:
наземные тепловые насосы;
тепловые насосы для грунтовых вод;
тепловые насосы для поверхностных вод.
Наземные тепловые насосы использует скрытые, замкнутые системы,
которые обмениваются теплом с землей. Этот процесс теплообмена
осуществляется путем циркуляции жидкости, обычно солевого раствора или
антифриза, в замкнутых трубчатых петлях. Трубные петли состоят: [30]
из вертикальных петель, рисунок 6;
28
из горизонтальных петель, рисунок 7.
Рисунок 6 – Система с вертикальными петлями
Вертикальные теплообменники изготавливаются путем бурения
скважин в грунте и вставки U-образных элементов в скважину. Этот тип
бурения часто не требует бурового оборудования или техник, которые
используются для нормального бурения скважин. В дополнение к низким
требованиям к площади земли, вертикальная система имеет ряд других
преимуществ, таких как, стабильные температуры почвы с большим
потенциалом для теплообмена с грунтовой водой и адаптируемость к
большинству объектов. [30]
Рисунок 7 – Система с горизонтальными петлями
29
Среди недостатков вертикальных систем - более высокие затраты,
проблемы в некоторых геологических ситуациях и потребность в опытных
бурильщиках и установщиках геотермальных систем.
Горизонтальные теплообменники могут быть установлены в траншеях,
раскопанных экскаваторами. Трубопроводы могут быть размещены в
траншеях либо по отдельности, либо в многотрубных устройствах.
Основным преимуществом горизонтальных систем является более низкая
стоимость. В первую очередь это связано с меньшим количеством
требований к специальным навыкам и оборудованию в сочетании с меньшей
неопределенностью геологии.
Недостатками горизонтальной системы являются высокие требования к
площади расположения системы, ее ограниченный потенциал для
теплообмена с грунтовыми водами и более широкие температурные
колебания почвы на типичных глубинах залегания. [30]
Альтернативным методом установки горизонтального теплообменника
является спиральный метод, рисунок 8. При использовании этого метода
выемка грунта производится бульдозером или экскаватором. Катушки из
пластмассового трубопровода, укладываются по спирали.
Рисунок 8 – Система с горизонтальными спиральными петлями
30
Выкапываемый материал затем осторожно помещают обратно через
трубопроводные катушки. Получение вертикальной сглаженной
конфигурации труб может быть затруднено при получении адекватного
уплотнения труб. Спиральные системы имеют те же преимущества, что и
обычные горизонтальные системы, но требуют меньших площадей и
адаптируются к более широкому спектру строительных задач. [30]
В целом, наиболее благоприятные способы строительства
теплообменника будут зависеть от местных условий почвы и типа
имеющегося строительного оборудования.
Системы использующие грунтовые воды являются самыми старыми.
Эти системы извлекают воду из земли, получают тепло этой водой, а затем
возвращают ее на землю, рисунок 9, или утилизируют ее на поверхности,
рисунок 10. В большинстве случаев эти системы имеют самую низкую
стоимость, особенно для крупных задач. [30]
Рисунок 9 – Утилизация воды в грунт
Однако их использование ограничено наличием грунтовых вод.
Благодаря изоляции тепловых насосов от грунтовых вод становится
возможным обеспечить центральный теплообменник для всего здания.
31
Отсутствие контакта между грунтовой водой и атмосферой, позволяет
исключить кислород из систем теплового насоса и значительно снизить
коррозию труб. Несоблюдение этого правила и отсутствие изолирующего
теплообменника привели к преждевременному отказу многих ранних систем
с тепловыми насосами. [30]
Рисунок 10 – Утилизация воды в наземный водоем
Системы поверхностных вод выделяют тепло из водных объектов. В
некоторых случаях это может быть сделано непосредственно путем подачи
воды из водоема в тепловой насос и из него, рисунок 11, в то время как в
других случаях это происходит путем теплообмена, используя пластиковые
трубы специального назначения, погруженные в водный объект, рисунок 12.
32
Рисунок 11 - Непосредственная подача воды из водоема в тепловой насос
Рисунок 12 – Забор тепла из водоема через систему трубок
Рассмотрим современные решения получения тепловой энергии на
примере многофункционального здания, состоящее из конференц-залов,
деловых, торговых и жилых помещений для проживания. Здание
расположено в городе Тэгу, Корея. На рисунке 13 показана внешняя часть
здания. Общая площадь составляет 49 667 м
2
. Здание состоит из двух
подвальных этажей и девяти надземных этажей. [10]
Для разработки и оценки алгоритма управления переменным расходом
для эффективной работы геотермальной системы теплового насоса было
выбрано целевое здание с реальной системой геотермального теплового
насоса и исследован статус работы. В качестве источника тепла здания
использовались система геотермического теплового насоса, система
хранения льда и конденсационный котел. [10]
33
Система геотермического теплового насоса имела общую мощность
320 кВт. Было использовано в общей сложности 8 геотермических
циркуляционных насосов, в том числе один запасной насос. [10]
Рисунок 13 – Фасад здания
Геотермальный тепловой насос был отделен от других источников
тепла и использовался для кондиционирования воздуха в некоторых частях
здания. Полученная вода от источника тепла была подана в блок обработки
воздуха и блок фанкойла для кондиционирования каждой зоны, для которой
используется геотермальный тепловой насос. [10]
Геотермальная система теплового насоса удовлетворяет тепловым и
охлаждающим нагрузкам конференц-залов и бизнес-объектов, на которые
приходится примерно 26% от общей нагрузки на отопление и охлаждение.
Горячая и холодная вода, создаваемая системой геотермического
теплового насоса, возвращается после теплообмена в радиаторе
кондиционера. Насос с геотермальной циркуляцией работает для
непрерывной подачи заданного расхода независимо от нагрузки. В этом
режиме работы, даже если нагрузка снижается, система работает непрерывно,
чтобы поддерживать заданную температуру. Кроме того, геотермический
циркуляционный насос обеспечивает постоянный расход даже в условиях
34
частичной нагрузки, поэтому определенное количество мощности насоса
потребляется непрерывно и возникает проблема с энергетическими
отходами. [10]
1.4. Выводы по первой главе
В первой главе было показано, что применение геотермальной энергии
для отопления и кондиционирования помещений чрезвычайно эффективно.
Геотермальная энергии возникает от ядра земли, которое обеспечивает
стабильную температуру грунта независимо от времени года. Современные
материалы и технологии позволяют как извлекать тепловую энергию из
земли зимой, так и утилизировать излишки летом.
Современные технологии позволяют осуществлять теплообмен с
помещением путем монтажа труб в бетонные перекрытия, такое решение
является долговечным и обеспечивает хорошие параметры теплообмена. Для
подобного решения не требуется большой разницы температур между
теплоносителем и помещением, что оптимально подходит для работы с
тепловыми насосами.
В зависимости от задач и требуемой тепловой энергии, применяют
горизонтальные или вертикальные геотермальные системы, преимуществом
вертикальных систем является меньшая занимаемая площадь и высокая
эффективность, а недостатком – необходимость применения бурового
оборудования.
Рассмотрев возможности тепловых насосов и современных методов
поддержания климата в помещения, можно переходить к анализу объекта.
35
ГЛАВА 2. Разработка технических решений системы
теплоснабжения на базе теплового насоса
2.1 Анализ многофункционального центра хранения
Климатические условия района строительства:
район строительства Нижегородская область;
расчетная температура наружного воздуха для проектирования
системы отопления Т
н.в.1
= -31°С (удовлетворяет требованиям СНиП 23-01-99
для самой холодной пятидневки с обеспеченностью 0,92).
Основные расчетные параметры приняты в соответствии с
действующими нормами. Модель многофункционального центра хранения
приведена на рисунке 14. [4]
Рисунок 14 – Модель фасадов многофункционального центра хранения
Принятые параметры наружной температуры для помещений АБК
смежных со складскими помещениями Т
н.в.2
= 9°С.