17
грунта, тепловые характеристики трубы и температура невозмущенного
грунта во время работы системы. [7]
Измерения показывают, что температура земли ниже определенной
глубины остается относительно постоянной в течение года. Это связано с
тем, что колебания температуры на поверхности земли уменьшаются по мере
увеличения глубины грунта из-за высокой тепловой инерции почвы. Кроме
того, существует временная задержка между колебаниями температуры на
поверхности и в земле. Поэтому, на достаточной глубине температура земли
всегда выше, чем температура наружного воздуха зимой и ниже летом. [12]
Разность температур между наружным воздухом и землей может быть
использована в качестве средства предварительного нагрева зимой и
предварительного охлаждения летом, используя теплообменник. Кроме того,
из-за более высокой эффективности теплового насоса, чем обычных систем
нагрева, тепловой насос можно использовать зимой для извлечения тепла из
относительно теплого грунта и прокачки его в жилые помещения. Летом
процесс может быть обратный, и тепловой насос может выделять тепло из
помещений и отправлять его в теплообменник, расположенный в земле,
который нагревает относительно холодный грунт. [18]
Геотермальная энергия - это теплота, содержащаяся на нашей планете,
и в отличие от ископаемого источника энергии она чистая, устойчивая,
пригодная для повторного использования и экономически выгодная с,
обладает огромным потенциалом использования. Тепло от ядра планеты
проходит через множество слоев, а температура ядра составляет
приблизительно 6650
o
C. [7]
Распределение температуры от ядра к поверхности позволяет
существовать живым организмам и на земле. В нормальных условиях,
наблюдаться довольно постоянное увеличение температуры на 3
o
C на
каждые сто метров бурения. В регионах с вулканической или тектонической
18
активностью скорость тоста температуры в глубине намного выше, чем эта
нормальная величина. [7]
Развитие геотермальной энергии приносит множество преимуществ.
Геотермальная энергия не содержит выбросов, а значит, является очень
чистым и обеспечивает благоприятные условия для окружающей среды.
Топливо для производства энергии не требуется, а единственным источником
является свободное тепло от земли, которое может сэкономить тонны угля и
газа и дает возможность экспортировать эти продукты вместо их
использования для потребления энергии. [7]
Этот возобновляемый источник энергии требует наименьшей площади
земли среди других основных источников чистой энергии и обеспечивает
очень высокую эффективность на небольшой площади. Геотермальная
система практически безгранична, и, если геотермальная электростанция
используется должным образом, она может работать более ста лет. [12]
Высокие затраты на строительство - это главная проблема
продвижения геотермальной энергии, пока не удается получить быстрый
возврат инвестиций за короткое время. Однако, поскольку этот источник
экологически чистый и имеет много преимуществ, правительство может
предлагать кредиты и средства для содействия применению этого источника
энергии в жизни людей. [12]
Тепловые насосы – это компактные, экономически и экологически
чистые тепло генераторы систем теплоснабжения, позволяющие получать
тепло для горячего водоснабжения и отопления помещений за счет
использования тепла низко потенциального источника. В качестве такого
источника может выступать: [5]
атмосферный воздух;
воды рек, озер и морей;
поверхностные и глубинные слои грунта;
грунтовые воды;
19
тепловые выбросы промышленных зданий и объектов ЖКХ.
По конструкции и принципу действия тепловые насосы практически не
отличаются от широко распространенных холодильных машин. Главное
отличие заключается в том, что тепловые насосы работают при более
высоких температурах испарения и конденсации. Особенно выгодно
применение тепловых насосов при одновременном использовании
вырабатываемого ими тепла и холода. [5]
Основным показателем эффективности ТНУ является коэффициент
преобразования μ, который представляет собой отношение отданной
потребителю тепловой энергии к затраченной в тепловом насосе работе
:
(1)
Работа тепловых насосов базируется на двух физических явлениях: [24]
когда вещество испаряется, оно поглощает тепло, а когда
конденсируется – отдает его;
когда давление меняется, меняется температура испарения вещества
– чем выше давление, тем выше температура, и наоборот.
20
Рисунок 1 - Принцип действия теплового насоса.
Принцип действия теплового насоса основан на следующем
циклическом процессе. По наружному трубопроводу циркуляционным
насосом прокачивается рабочая жидкость, например, антифриз. После
прохождения рабочей жидкости по трубопроводу 1 она принимает
температуру грунта (+7°С) и попадает в теплообменник 2. [24]
В теплообменнике 2, называемом испарителем, рабочая жидкость
передает теплоту, полученную от грунта, хладагенту. Хладагент закипает,
превращается в пар и попадает в компрессор 3. Рабочая жидкость после
прохождения теплообменника имеет температуру +2°С. Пар хладагента из
испарителя 2 сжимается компрессором 3 до давления 25 атмосфер. При
сжатии его температура повышается и достигает 60°С. В дальнейшем эта
энергия может быть направлена через теплообменник 4 на обогрев воздуха
внутри помещений или на подогрев воды в системе горячего водоснабжения.
Затем хладагент подается в терморегулирующий вентиль 6, в котором его
температура понижается до температуры кипения. В составе влажного пара
хладагент вновь поступает в испаритель, после чего цикл работы теплового
насоса повторяется. [24]
Данный тип тепловых насосов имеет высокие капитальные затраты по
сравнению с традиционными тепло генераторами, однако занимают прочную
позицию на рынке систем отопления. В развитых странах доля тепловой
энергии, получаемой с помощью тепловых насосов, постоянно
увеличивается. К основным преимуществам тепловых насосов перед другими
системами отопления относятся: [24]
независимость от цен на нефть и газ, а также от налога на выбросы;
окупаемость по сравнению с электрическими и дизельными котлами;
независимость от температуры окружающего воздуха по сравнению
с воздушными тепловыми насосами;
полная автономность и безопасность системы;
21
возможность дистанционного управления и мониторинга;
экономическая выгода из-за высоких коэффициентов преобразования
энергии;
более длительный (в 2-3 раза) срок службы по сравнению с
традиционными установками;
компактность, т. к. не требуется дымовой трубы, большого
помещения для котельной и для хранения баков с топливом;
повсеместная доступность и неисчерпаемость низко потенциального
тепла;
отсутствие вредных воздействий на окружающую среду.
Таким образом можно отметить, 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.
1.3 Функции и назначение тепловых насосов
В качестве оптимального варианта охлаждения/отопления офисного
здания предлагается инженерное решение с использованием термоактивных
строительных конструкций. [19]
Термоактивные строительные конструкции (TABs) используют
высокую тепловую инерцию бетонных плит для снижения пиковых нагрузок,
то есть снижения пиковой холодильной мощности, что позволяет
захолаживать конструкции здания в периоды отсутствия пользователей,
например, в офисах – в ночное время. А также переложить необходимость
активного охлаждения/отопления во времени. Это позволяет снизить
расходы на электроэнергию, поскольку в ночное время действуют, как
правило, более низкие тарифы. Одновременно возможно уменьшение
размеров и мощности компонентов системы отопления/охлаждения.
22
Поскольку в режиме охлаждения в системе используется вода с
температурой, близкой к комнатной, эффективность чиллера повышается, а
энергопотребление уменьшается. Наибольшее снижение пикой нагрузки на
источник холодоснабжения достигается при продолжительной работе
системы холодоснабжения. [19]
Теплообмен с окружающими поверхностями и телом человека в
большей степени происходит за счет лучистой составляющей, но при этом
конвекция также присутствует. [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,
рисунок 2.
Рисунок 2 - Принцип действия TABs
Рабочая температура холодоносителя в трубах не опускается ниже 16
°C, что исключает выпадение конденсата на поверхности пола и потолка при
подержании расчетного температурно-влажностного режима. В режиме
отопления температура теплоносителя в трубах системы TABs 30-27 °C. [19]
23
Отопление за счет нагрева поверхности пола и потолка при
существующей конструкции пола в офисных помещениях не позволяет
полностью отказаться от системы радиаторного отопления, но уменьшает
размеры отопительных приборов, снижает энергопотребление и создает
более комфортные условия в помещениях (более равномерное распределение
температуры по высоте помещения, меньше движение воздуха). [19]
Паробетонное отопление было изобретено русским инженером
Вячеславом Августовичем Яхимовичем, которое он запатентовал не только в
России, но и в Германии и Великобритании (1907 г.). В роли теплоносителя
выступал пар или вода. [8]
Впервые паробетонное отопление было применено при строительстве
железнодорожной больницы на станции Ртищево в 1907 году. К 1918 году в
России действовало более 100 таких систем. [8]
Трубопроводы размещаются в центре бетонного перекрытия, между
верхней и нижней арматурой, рисунок 3.
Рисунок 3 - Бетонное перекрытие с трубами системы TABs
24
В прессе есть упоминание о применении в 1938 г. в Германии
перекрытий со встроенным отоплением, которое использовалось и для
охлаждения помещений. [17]
На сегодняшний день в Германии примерно в 1/3 строящихся нежилых
помещений применяются термоактивные строительные конструкции.
Трубы Uponor Comfort pipe PLUS изготавливаются из 5-ти слойного
сшитого полиэтилена PE-Xa, в соответствии с EN ISO 15875 и ГОСТ Р 52134,
имеют антидиффузионный слой защиты от проникновения кислорода EVOH
для предотвращения возможной коррозии металлических элементов системы
отопления/охлаждения. Они также имеют дополнительный наружный слой
из полиэтилена, защищающий от механических повреждений. Максимальная
температура 95°С, рабочее давление 6 бар. [8]
На основании экспертного заключения ОАО “НИИСАНТЕХНИКИ”
соединение “труба+фитинг” типа Uponor Quick&Easy (Uponor Q&E),
состоящее из трубы из сшитого полиэтилена (PE-Xa) с обжимными кольцами
Uponor Q&E и фитинга Uponor Q&E из латуни или полифенилсульфона
(PPSU), относится к неразъемным типам соединения труб, указанные
системы можно прокладывать в стенах, полах, перекрытиях. [8]
На основании данных EN ISO 15875 и ГОСТ Р 52134 срок службы
трубопроводов Uponor Comfort pipe PLUS при рассматриваемых режимах
эксплуатации (температура не более 35 °С) составляет 100 лет. [8]
Трубы Uponor Comfort pipe PLUS (Uponor PE-Xa), которые полностью
интегрированы в бетонную конструкцию перекрытия, ни каким образом не
ослабляют его. При точечных нагрузках силовые линии в действительности
обходят трубы. [8]
Трубы размещаются достаточно глубоко, в центре перекрытия
(толщиной 220 мм), что сводит к минимуму вероятность случайного
повреждения. Сверху бетонного перекрытия имеется стяжка с изоляционной
25
подложкой и покрытием пола (5-6 см), что обеспечивает дополнительную
защиту, рисунок 4. [8]
Рисунок 4 - Безопасное положение труб
Термоактивные строительные конструкции показывают меньшее
колебание температур, чем бетонные перекрытия без активации ядра. [19]
Монтаж системы Uponor TABs производится готовыми модулями,
изготовленными по проекту в заводских условиях. Благодаря модульной
конструкции монтаж осуществляется намного быстрее, проще и безопаснее,
чем укладка труб непосредственно на строительном объекте, рисунок 5.
Здоровье, работоспособность, да и просто самочувствие человека в
значительной степени определяются условиями микроклимата и воздушной
среды в жилых и общественных помещениях, где он проводит значительную
часть времени. [7]
Оптимальные параметры микроклимата - это сочетание значений
показателей микроклимата, которые при длительном и систематическом
воздействии на человека обеспечивают нормальное тепловое состояние
организма при минимальном напряжении механизмов терморегуляции и
26
ощущение теплового комфорта не менее чем у 80 % людей, находящихся в
помещении.
Рисунок 5 - Трубы Uponor PE-Xa в перекрытии.
Принцип действия охлаждающей поверхности потолка такой же, как и
поверхности теплых полов, только наоборот. Холодный воздух, контактируя
с поверхностью холодного потолка, увеличивает свою плотность и под
действием силы тяжести опускается вниз. [7]
Теплообмен происходит приблизительно на 50% за счет излучения, и
оставшиеся 50% за счет конвекции. Подвижность воздуха невысокая. Это
соответствует тепловому режиму человеческого тела в спокойном состоянии
и, поэтому люди, находящиеся в помещениях, оборудованных системой
термоактивных строительных конструкций, чувствуют себя комфортно.
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.