47
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 производственного корпуса с
административно-бытовым пристроем, 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.
48
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
49
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;
50
– 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.
51
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
52
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:
53
(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):
54
= 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.
55
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
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]
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
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).
56
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 производственного корпуса с
административно-бытовым пристроем ООО «Кимберли Кларк», основное
функциональное назначение объекта – прием, выбраковка 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