46
h – расстояние от земли до центра рассматриваемого воздухопроницаемого
элемента в здании;
K – коэффициент учитывающий изменение ветрового давления в
зависимости от высоты здания и типа местности, K = 0,85.
Результаты вычисления по формулам (6)-(8) приведены в таблице 10.
Таблица 10 - Теплопотери на нагрев инфильтрационного воздуха
Тип элемента
Площадь элемента, м
2
Теплопотери, Вт·ч
Окна
228
7580
Двери
16,34
908,2
Суммарные тепловые потери здания определим как сумму потерь по
таблицам 7-10, результат сведем в таблицу 11.
Таблица 11 - Тепловые потери здания многофункционального центра
хранения и логистики
Источник потерь
Теплопотери, Вт·ч
Стены
75074,34
Полы
10113,67
Межэтажные перекрытия
3616,06
Кровля
20077,64
Инфильтрация
8488,12
Итого
117369,8
Проведенный расчет тепловых потерь позволяет оценить требуемое
количество тепловой энергии для многофункционального центра хранения и
логистики, которое составило 117,4 кВт·ч.
Это количество энергии необходимо для поддержания требуемых
температур в складских и офисных помещениях многофункционального
центра хранения и логистики.
Для выработки этого количества тепловой энергии необходимо
оценить возможности геотермальных систем.
47
2.3 Оценка удельного съема тепла
В обобщенном виде разработанный организацией ASHRAE (США)
метод расчета вертикальных грунтовых теплообменников (ВГТ) детально
представлен в целом ряде фундаментальных изданий этой организации,
используются издания 2015 года ASHRAE Handbook Applications, глава 32.
Рассматривается задача расчета числа ВГТ и их суммарная длина L
c
(м)
при условии, что расстояние между ВГТ более допустимого - 6 м, и все они
работают на тепловой насос, предназначенный для отопления здания.
Известны проектные параметры ВГТ: [29]
условный проход;
внутренний диаметр U-образной системы теплоотбора в
вертикальной скважине с заданным диаметром;
материал труб скважин;
составом заполнителя;
вид теплоносителя;
температурные параметры грунта;
состав и плотность грунта;
влажность грунта;
коэффициенты теплопроводности.
теплоноситель ВГТ;
данные по потреблению тепла за отопительный период года в кВт
(пиковые мощности);
данные для зимнего (отопительного) периода года η;
известна температура воды на выходе из конденсатора ТНУ и вид
хладагента.
Температура теплоносителя на выходе из ВГТ принимается на 5 ℃
выше, чем на выходе испарителя. Длина вертикального грунтового
теплообменника зависит от свойств грунта и от характеристик системы
48
теплового насоса. Влияние на интенсивность теплообмена в грунте
оказывают такие его свойства как температура
в естественном состоянии,
плотность ρ, теплопроводность λ, теплопроводность α и влажность w. [29]
Не менее важную роль при определении длины теплообменника L
С
играет величина его эквивалентного диаметра D
e
, а также тепловая мощность
Q теплового насоса. В случае использования ВГТ для отвода тепла в режиме
кондиционирования необходимо учитывать холодильную мощность Q
Х
и
электрическую мощность N. Температура на выходе из конденсатора t
к
является определяющей при определении коэффициентов преобразования
теплового насоса η и холодильного коэффициента ε, которыми
характеризуется энергетическая эффективность системы. [29]
Общая длина скважин
, м, используемых для теплообмена с грунтом
в системах теплоснабжения с тепловыми насосами, определяется по
формуле:
????
????
????
????
(9)
где
– усредненная за год величина теплового потока, Вт, из грунта;
– линейное термическое сопротивление грунта, мК/Вт;
– проектная тепловая мощность системы отопления, Вт;
– электрическая мощность теплового насоса, Вт;
– линейное термическое сопротивление скважины, мК/Вт;
– коэффициент, усредняющий пиковую тепловую нагрузку;
– линейное термическое сопротивление грунта в течение расчетного
месяца, мК/Вт;
– линейное термическое сопротивление грунта в течение расчетного дня,
м·К/Вт;
– коэффициент, учитывающий тепловые потери, который принимают
равным 1,04;
– температуры жидкости на входе в скважину, °С;
49
– температуры жидкости на выходе из скважины, °С;
– естественная температура грунта, °С;
∆t – поправка, учитывающая влияние на теплообмен соседних скважин, если
расстояние между ними менее 6 метров, °С.
Усредненная за год величина теплового потока
в грунт определяется
по формуле:
????
????
????
????
(10)
где
=31536000 сек.;
– годовая потребность в холоде, ГДж;
– годовая потребность в тепле, ГДж;
ε – холодильный коэффициент;
η – коэффициент преобразования теплового насоса, определяемые при
расчетных температурах кипения и конденсации холодильного агента.
Линейное термическое сопротивление грунта
определяется по
формуле:
(11)
где λ – теплопроводность грунта, Вт/(К м);
G – фактор, определяемый по формуле с учетом числа Фурье F
0
:
(12)
где а–коэффициент теплопроводности, зависящий от вида грунта, его
плотности и влажности. Определяется для конкретных географических
условий;
Т – цикл в сутках, в течение которого происходит изменение направления
теплового потока;
d –эквивалентный диаметр одиночного U-образного ВГТ, определяемый по
таблице 12.
50
Таблица 12 - Зависимость эквивалентного диаметра d от условного прохода
труб
Условный проход D
Y
, мм
20
25
32
40
Эквивалентный диаметр d, мм
0,045
0,054
0,060
0,075
Необходимо вычислять число Фурье трижды, поскольку оно влияет на
величины
,
и
. Рекомендуется при этом задаваться значениями Т
= 3650, 30 и 0,25 суток соответственно, что отвечает интервалам времени в
десять лет, один месяц и шесть часов. [8]
Линейное термическое сопротивление R
b
материала, заполняющего
скважину, принимают по таблице 13, если скважина заполнена грунтом,
вынутым из скважины при бурении. К величине R
b
, определенной по таблице
13, вводят поправку по таблице 14, если скважина заполнена раствором,
теплопроводность которого отличается от теплопроводности окружающего
скважину грунта. [8]
Таблица 13 - Линейное термическое сопротивление Rb, мК/Вт
скважины
Условный проход
U-образной
трубы, мм
Наружный и
внутренний
диаметры, мм
Линейное термическое сопротивление Rb,
м·К/Вт, скважины при расходах, л/с, жидкости
по трубе
0,126
0,378
0,63
1,26
20
26,7/21,8
0,052
0,069
26,7/20,9
0,058
0,081
25
33,4/27,4
0,052
0,081
0,058
33,4/26,6
0,058
0,088
0,064
32
42,2/34,5
0,052
0,088
0,069
0,052
42,2/35,1
0,052
0,088
0,069
0,052
40
48,3/39,4
0,052
0,092
0,088
0,052
48,3/40,9
0,46
0,081
0,081
0,046
51
Таблица 14 - Поправка к величине линейного термического
сопротивления скважины
Условный проход, мм
Теплопроводность окружающего грунта, Вт/(мК)
1,55
2,25
Скважины
Трубы
Поправка к величине линейного термического
сопротивления скважины при теплопроводности
заполняющего скважину раствора
0,865
3,46
0,5
1,73
3,46
100
20
0,064
- 0,029
0,081
0,017
- 0,012
25
0,040
- 0,017
0,052
0,012
- 0,012
125
20
0,081
- 0,035
0,104
0,023
- 0,023
25
0,064
- 0,023
0,081
0,017
- 0,012
32
0,035
- 0,017
0,052
0,012
- 0,012
150
20
0,104
- 0,040
0,121
0,023
- 0,029
25
0,081
- 0,035
0,098
0,017
- 0,023
32
0,052
- 0,023
0,069
0,017
- 0,012
40
0,040
- 0,017
0,052
0,012
- 0,012
Величину коэффициента k
m
, усредняющего пиковую тепловую
нагрузку, определяют по формуле:
(13)
где
– годовая потребность в тепле, ГДж;
– проектная тепловая мощность системы отопления, Вт;
z – время усреднения.
При заданных значениях тепловой
, электрической
мощностях
теплового насоса и заданной разнице температур на входе и выходе из
испарителя, в расчете эта разница принята равной 5℃, через все скважины
должно циркулировать количество теплоносителя определяемое по формуле:
????
????
(14)
В этом случае, задаваясь некоторым значением числа скважин n, можно
определить расход жидкости каждой скважины:
(15)
Для заданного в исходных данных внутреннего диаметра трубы D
в
,
скорость движения жидкости будет равна:
52
(16)
где W – определяется по формуле (15);
D
в
– задается в метрах.
Выполним расчет рассмотренным методом. Исходные данные для
расчета:
продолжительность отопительного периода 220 суток (19 008 000
сек.);
условный проход труб – 32 мм;
диаметр скважины – 150 мм;
эквивалентная плотность грунта – 2276 кг/м
3
;
эквивалентная влажность грунта – 20,26 %;
эквивалентная теплопроводность грунта – 3,34 Вт/м·°С;
расчетная тепловая мощность – 300 кВт;
годовое потребление тепла – 2.880 ГДж (2.000 часов работы с
установленной мощностью)
холодопроизводительность – 300 кВт
температура воды на выходе – 50 °С.
Величина теплового потока в грунт по формуле (10):
????
????????
????
= 68 537 Вт
Эквивалентный диаметр труб составляет 0,075 м, тогда по формуле
(12):
Циркулирование жидкости в тепловом насосе по формуле (14):
????
????
51,6 т/ч
Предположительное число скважин – 62 шт. Тогда расход жидкости в
одной скважине по формуле (15):
53
= 0,83 т/ч
Внутренний диаметр трубы, по таблице 13, 39,4 мм. Скорость
движения воды в трубе по формуле (16):
= 0,190 м/с
Линейное термическое сопротивление скважины, по таблице 13 0,06
м·К/Вт. Поправка к линейному термическому сопротивлению скважины, по
таблице 14, -0,012 м·К/Вт. Полное линейное термическое сопротивление
скважины – 0,048 м·К/Вт.
Коэффициент усреднения пиковой тепловой нагрузки, по формуле (13):
= 0,379 о.е.
Критерий Фурье для 1-месячного цикла – 384 о.е. Фактор G – 0,542 о.е.
Общая длина скважин – 4.992 м. При числе скважин 62 шт. получаем
глубину скважины – 80,52 м, что соответствует действительности.
Удельный съем тепла получим – 300 кВт / 4.992 м = 60,09 Вт/м
Аналогичным путем было посчитано несколько возможных вариантов
при использовании труб с условным проходом 32 и 40 мм для числа часов
работы теплового насоса с установленной мощностью 2000, 3000 и 4000
часов. Результаты представлены в таблицах 15 – 18.
Таблица 15 - Результаты расчета параметров ВГТ (80 м) для труб с условным
проходом 32 мм
Число часов работы ТН с
установленной
мощностью, ч
Общая длина
скважин, м
Число скважин
длиной по 80 м,
шт
Удельный съем
тепла, Вт/м
2000
5726
72
52,38
3000
6959
87
43,11
4000
8192
102
36,62
Очевидно, что удельный съем тепла – функция многих переменных, и
при проектировании необходимо учитывать все влияющие факторы, для
достижения эффективной работы ВГТ.
54
Таблица 16 - Результаты расчета параметров ВГТ (80 м) для труб с условным
проходом 40 мм
Число часов работы ТН с
установленной
мощностью, ч
Общая длина
скважин, м
Число скважин
длиной по 80 м,
шт
Удельный съем
тепла, Вт/м
2000
4992
62
60,09
3000
6213
78
48,28
4000
7523
94
39,88
Таблица 17 - Результаты расчета параметров ВГТ (60 м) для труб с условным
проходом 32 мм
Число часов работы ТН с
установленной
мощностью, ч
Общая длина
скважин, м
Число скважин
длиной по 60 м,
шт
Удельный съем
тепла, Вт/м
2000
5287
88
60,09
3000
6740
112
44,51
4000
7994
133
37,52
Таблица 18 - Результаты расчета параметров ВГТ (60 м) для труб с условным
проходом 40 мм
Число часов работы ТН с
установленной
мощностью, ч
Общая длина
скважин, м
Число скважин
длиной по 60 м,
шт
Удельный съем
тепла, Вт/м
2000
4883
81
61,44
3000
6169
103
48,62
4000
7479
125
40,11
Так, при использовании одних и тех диаметров труб удельный съем
тепла со скважины глубиной 60 м получается больше, чем со скважины 80 м,
а общая длина всех зондов – наоборот. Объясняется это следующим: для
эффективной работы необходимо циркулирование жидкости в контуре ВГТ с
расходом 51,6 м3/ч. [8]
При этом число скважин глубиной 60 м получается большим, чем
число скважин глубиной 80 м, а значит расход жидкости в скважинах
глубиной 60 м будет большим (для достижения общего расхода 51,6 м3/ч).
55
Больший расход жидкости влечет за собой большую скорость течения
жидкости по трубам ВГТ, а значит и линейное и полное термическое
сопротивление скважины будет выше. А общая длина скважины и удельный
съем тепла с погонного метра скважины ВГТ напрямую зависит от
термического сопротивления скважины. [8]
Завышение значение удельного сбора низкопотенциального тепла
может привести к преждевременному выхолаживанию скважины и
сокращению числа часов работы тепловых насосов с установленной
мощностью.
2.4 Выводы по второй главе
Во второй главе проведен анализ многофункционального центра
хранения и логистики ООО «Ордер», основное функциональное назначение
проектируемого склада - прием и хранение товаров. Все товары, которые
поступают на склад для хранения, упакованы поставщиком или
изготовителем. В западном пристрое к основному складу-организуется
административно-бытовой комплекс.
Можно отметить, что помещения многофункционального центра
хранения и логистики должны иметь различную температуру, от 22
о
С в
офисной части здания, до -31
о
С в холодильной камере.
Проведенный расчет тепловых потерь позволяет оценить требуемое
количество тепловой энергии для многофункционального центра хранения и
логистики, которое составило 117,4 кВт·ч.
Это количество энергии необходимо для поддержания требуемых
температур в складских и офисных помещениях многофункционального
центра хранения и логистики.
При использовании одних и тех диаметров труб удельный съем тепла
со скважины глубиной 60 м получается больше, чем со скважины 80 м, а
общая длина всех зондов – наоборот. Объясняется это следующим: для