Термопомпени системи – конфигуриране, структура и работни флуиди

През последните години все по-широко практическо приложение намират затвореноконтурните земносвързани термопомпени климатици. Изградени са от следните основни елементи - положени в земята износоустойчиви пластмасови тръбни системи, водни термопомпи и вътрешни отоплителни и БГВ инсталации. Пластмасовите тръби осъществяват топлообмена между работния флуид и земята. Термопомпите предават топлинната енергия от и към тръбопровода и сградните топлинни товари. 

През летния период топлинни товари за земносвързания термопомпен климатик са охлаждането на сградата, затоплянето на битовата вода и отстраняването на влагата в обхванатите от системата помещения. По време на зимата топлинни товари, поемани от системата за съответно отоплението на сградата и затоплянето на битовата вода. Всяка термопомпена система се проектира с оглед извличане или респективно отдаване на необходимото за удовлетворяване на конкретните нужди количество топлинна енергия от земята.

Конфигуриране на термопомпите

В зависимост от наличната земна площ затвореноконтурните термопомпени системи се проектират с хоризонтално или вертикално изпълнение. Видът на най-често използваните на входа и изхода на термопомпените системи флуиди определя съществуването на четири основни конфигурации термопомпени климатици въздух/въздух, въздух/вода, вода/ въздух и вода/вода. Направените проучвания определят като най-широко използвани в световен мащаб термопомпите въздух/въздух. Техният значителен пазарен дял се дължи на приложението им в райони с умерен климат.

Системите въздух/вода се използват основно за битово горещо водоснабдяване, както и в приложения, където се налага изграждането на допълнителна отоплителна система, която да поддържа основната в периоди на рязко застудяване.

Термопомпите вода/въздух са особено подходящи за приложения с няколко годишни сезона. Използват се в отворено и затвореноконтурно изпълнение. Системите от този тип могат да се захранват от открити и закрити, изкуствени и естествени водни басейни.

Сред основните специфики на термопомпените системи вода/ въздух е възможността да работят съвместно с бойлер и охладителна кула. Намират широко приложение в търговски и бизнес сгради, за да преместват топлина от едно място към друго. В случаите, при които температурата във вътрешния контур стане прекалено висока, охладителната кула отдава топлината към атмосферата. Когато температурата на външния въздух е много ниска и термопомпената система няма необходимата мощност да затопли помещенията, се използва бойлерна инсталация.

Системите вода/вода се използват основно за отопление на сгради в страни с продължителни отоплителни периоди. Тези системи се характеризират с висока ефективност, тъй като необходимата за функционирането им външна температура е по-ниска от температурата на нагнетателната въздушна система.

Енергиен източник за термопомпите

Наличната в земната кора топлинна енергия, която се оползотворява от земносвързаните термопомпени системи представлява акумулирана слънчева енергия. Тази топлинна енергия се предава непрекъснато от и към земната повърхност от слънчевото излъчване, дъждовете и вятъра. Следователно, основен енергиен източник за земните слоеве, разположени в непосредствена близост до повърхността, е слънцето. 

Направените изследвания показват, че температурата на земната кора на дълбочина по-голяма от 10 метра се доближава до средната годишна температура на въздуха за даденото географско местоположение. Тръбните системи на повечето земносвързани термопомпени системи се полагат в земята на дълбочина до 2 метра, където температурата е променлива - съответно по-висока или по-ниска от средната годишна температура, в зависимост от типа на почвата, влажността, снежната покривка и др. фактори. Вследствие на самоизолацията си, почвата има умерена и сравнително постоянна като стойност температура през цялата година. 

Ако температурата на въздуха през годината се колебае в много широки граници, изменението в температурата на земната кора също варира, но в много по-тесен интервал. Експериментално е установено, че много малка част от акумулираната в земната кора топлинна енергия (по-малко от 2 до 3%) е резултат на топлообмен със земното ядро. Измервания в нефтените сондажи показват, че температурата на земята се увеличава със средно от 0.5 до 1.5 °С на всеки 30 метра дълбочина.

Акумулираната в земната кора слънчева енергия представлява енергиен източник за термопомпените климатици. Земносвързаните системи работят благодарение на факта, че температурата на земната кора на дълбочина от около 2 метра под повърхността като правило е по-ниска от температурата на въздуха през лятото и съответно по-висока през зимата. 

За постигане на надеждна и ефективна работа на една земносвързана термопомпена система е необходимо да се направи задълбочен предварителен анализ на дългосрочните тенденции в изменението на външната температура и съответстващите й промени в температурата на земната кора на различна дълбочина. Целта е да се определи оптималната дълбочина, на която да се положи тръбната система в зависимост от геофизичните характеристики на региона, включително характера на почвите, скалите, валежите и др.

Работа на термопомпените системи

Земносвързаните термопомпени климатици са изградени от три основни контура, които участват във всеки работен цикъл на системата. Опционално структурата на термопомпите може да обхваща и четвърти контур, предназначен за производство на битова гореща вода. Контурите, включени в структурата на една геотермална термопомпена система в режими на охлаждане и отопление са:

Разпределителен контур

Разпределителният контур е предназначен да пренася топлинната енергия от контура на хладилния агент чрез използването на въздушен (охладен или затоплен въздух) или воден контур с цел климатиза ция на сградата. Въздушният контур се използва, за да снабди сградата с кондициониран въздух. Технически задачата се реализира посредством вентилатор, който премества въздуха през канална система. Диаметърът и дължината на тръбопровода се определят с оглед разпределяне на кондиционирания въздух към определени части на сградата, в зависимост от конкретните изисквания и съществуващите топлинни загуби.

Водният контур пренася охладена или затоплена вода посредством хидравличен вентилаторен възел или подова отоплителна и охладителна система. Чрез подходящо избрана помпа флуидът се доставя до всяка от включените в термопомпената система зони. Температурата във всяко от помещенията може да бъде контролирана индивидуално.

Контур на хладилния агент

Контурът на хладилния агент представлява вътрешна инсталация, работеща под налягане, която транспортира топлинната енергия от една точка на системата към друга. Потокът на хладилния агент се подава под определено налягане през инсталацията от компресор, инсталиран в частта от контура, през която преминава парата.

Земносвързан контур

Земносвързаният контур от конфигурацията на термопомпените системи се изпълнява като подземна инсталация с висока степен на уплътняване, по която циркулира под налягане вода или антифриз. Флуидът абсорбира топлина от почвата, заобикаляща тръбопровода през зимата, или отдава топлинна енергия на земята през лятото. Водата, респективно антифризът, се привежда в движение от циркулационна помпа.

Четвърти контур

Четвъртият контур от структурата на термопомпените системи се използва за производство на битова гореща вода. През контура се подава под определено налягане вода от резервоара на системата към пароохладителя на термопомпата. Обикновено за задвижване на водата се използва маломощна циркулационна помпа. По време на работа на термопомпената система топлинната енергия се пренася от един контур към друг с цел отопление, охлаждане, отстраняване на влагата и производство на битова гореща вода.

Използвани материали

Тръбопровод. Най-често използваният материал, от който се изработват земносвързаните топлообменници, е полиетиленът. Основание за широкото приложение на материала е високата му еластичност, която определя лесната и надеждна инсталация на тръбопроводната система. Отделните сегменти на тръбопровода се свързват чрез използването на различни термични технологии.

Метални елементи. Всички метални елементи на системата трябва да бъдат съобразени с вида на циркулиращия флуид в геотермалната термопомпена система. Основни метални възли, от избора на които зависи оптималната работа на една система, са циркулационната помпа, металните тръбопроводи и елементите, намиращи се в непосредствен контакт с циркулиращия флуид.

Антифризи. С изключение на случаите, при които термопомпените системи се изграждат в райони с мек климат, е препоръчително като работен флуид да се използват различни като химичен състав и свойства антифризи. Във функцията на работен флуид се прилагат:

• соли - най-вече калциев хлорид и натриев хлорид;
• гликоли - етилен или полиетилен;
• алкохоли - метил, изопропил и етил;
• калиево базирани антифризи ацетати и карбонати.

Всички изброени антифризи се използват в практиката успешно. Основните изисквания, на които трябва да отговарят, са безопасност при експлоатация, нетоксичност, добро топлопредаване, оптимална цена, дълъг живот и не последно място неагресивност.

По принцип солите са безопасни и нетоксични, отличават се с висок коефициент на топлопредаване, евтини са, имат дълъг експлоатационен живот. Недостатък на солите е корозивната им природа, а основно предимство на солите е нетоксичността им. Чрез избор на подходящи метални компоненти и продухване на термопомпената система с въздух солите биха могли да се използват успешно във функцията на работен флуид. 

В райони с по-студен климат, където през зимата температурите често достигат стойности под нулата, широко приложение намират соли (калциев хлорид) и метилов алкохол.

Антифризи базирани на гликоли

Гликолите са пожаро- и взривобезопасни, токсични и основно неагресивни. Отличават се с добри топлопреносни характеристики, средно висока цена и недълъг експлоанационен срок. При използването им трябва да се отчете обстоятелството, че при нискотемпературна работа на термопомпената система гликолите увеличават вискозитета си. Това налага инсталирането на помпа с по-висока мощност за транспортиране на работния флуид в системата, следователно води до понижаване ефективността на термопомпената инсталация. При изграждане на земносвързани термопомпени системи в райони с по-мек климат, където годишните температури не падат под 0 °С, гликолите се използват успешно.

Антифризи базирани на алкохоли

За разлика от гликолите, използването на алкохолите във въздушна среда е свързано със значителна пожаро- и взривоопасност. Алкохолите са токсични и относително неагресивни по отношение на металите. Имат висок коефициент на топлопредаване, средно висока цена и дълъг експлоатационенживот. Широкото им използване в райони с различни климатични особености се дължи основно на неагресивността им. 

Антифризи базирани на калиеви ацетати и карбонати

Те се използват сравнително отскоро като топлопреносни флуиди в термопомпените системи. Калиевият ацетат представлява продукт с висока степен на биологично разграждане. Характеризира се с нисък вискозитет, което позволява използването на помпа с помалка мощност. Системи с калиев ацетат работят със сравнително ниска температура на постъпващата в системата течност. 

Калиевият ацетат е известен под търговското име GS4. Съдържа подходящи инхибитори за забавяне скоростта на предизвиканите от него корозионни процеси в системата. Използването му налага специални изисквания към уплътнителните материали, вложени в термопомпата. Наличието на механични дефекти и лошо качество на свързване между отделните части от тръбопровода резултира в утечки на калиев ацетат в системата и предизвиква повреждане на медните елементи.

При избора на антифриз трябва да се отчете обстоятелството, че немалка част от корозионните инхибитори са токсични.

Източник: TLL Media; Снимки: Dreamstime

Ключови думи: Термопомпени системи   антифризи   отопление   климатизация  

Област: ОВК