Замороженные вертикальные теплообменники

Однако иногда возникают ситуации, подобные описанной ниже, связанные с замерзанием нижнего источника тепла. Похоже, что важной задачей для людей, профессионально занимающихся тепловыми насосами, является изучение всех обстоятельств, связанных с этой проблемой, чтобы избежать подобных ситуаций в будущем. В этом конкретном случае произошло невероятно невероятное накопление множества неблагоприятных причин ... но это произошло.

Допущения и выбор установки

Описанное событие произошло где-то в Польше. В новом здании был установлен тепловой насос с рассолом / водой мощностью 10 кВт (для B0W35) с нижним источником в виде трех вертикальных грунтовых теплообменников (так называемая одинарная U-образная труба) глубиной 70 м каждый (коэффициент проводимости грунта составлял около 2 Вт). / м * К). Дом на одну семью имеет отапливаемую площадь 155 м2, предполагалось, что будет использоваться хорошая теплоизоляция (15 см полистирола на наружных стенах, 25 см минеральной ваты для чердачной изоляции). Согласно проекту, единая проектная тепловая потребность здания составляла около 50 Вт / м2.

Похоже, что с точки зрения многих подобных объектов выбор теплового насоса и нижнего источника следует считать правильным. Выбор мощности теплового насоса 10, а не 8 кВт, был продиктован соображениями безопасности и добавлением 1 кВт мощности для горячей воды. Во многих аналогичных новых зданиях тепловые насосы мощностью 8 кВт с нижним источником, описанным выше, работают совершенно корректно.

Морозильный шкаф нижнего источника

Во втором сезоне эксплуатации теплового насоса (примерно через 12 месяцев после ввода в эксплуатацию) произошло событие, описанное ниже.

После нескольких месяцев работы насоса, во второй отопительный сезон и нескольких дней непрерывной работы компрессора теплового насоса, произошло быстрое повышение давления раствора гликоля выше давления открытия предохранительного клапана (3 бара) и выброс около 1,5 литра агента в сливной бак. для антифриза. Возник обеспокоенный вопрос клиента и установщика: в чем причина этого явления?

Наиболее вероятный ответ, по-видимому, заключается в том, что тепловой насос, проработавший около 2900 часов работы компрессора в течение года (вместо запланированных около 1500 часов), заморозил почву вокруг вертикального теплообменника. Это явление называется замерзанием вертикального обменника. Это часто может привести к блокировке работы теплового насоса, а в крайних случаях даже к механическому повреждению вертикального теплообменника.

В течение многих дней температура раствора гликоля, поступающего из нижнего источника, была ниже -3 ° С, а температура антифриза, подаваемого из насоса, была ниже -7 ° С (рис. 1). Вода в кольцевом пространстве (между теплообменником и землей) замерзает. Во время замерзания объем льда увеличивается по сравнению с объемом воды, из которой он образовался, и это может привести к локальному дроблению трубы через расширяющийся лед и, следовательно, к раздавливанию теплообменника. С большой вероятностью можно предположить, что это произошло в этом случае. Длительная и непрерывная работа теплового насоса в течение многих дней приводила к замерзанию грунта теплообменника сверху вниз. Хотя используемый материал был относительно высокого качества (труба DN 40 с номинальным давлением PE 80 PN 12), труба теплообменника была раздавлена ​​льдом. Можно предположить, что существует опасность окончательного разрушения обменника из-за отсутствия гарантии надежной работы обменника в будущем. Предполагается, что стандартный срок службы вертикального теплообменника составляет мин. 50-100 лет и в этой ситуации никто не может гарантировать такой долгий срок службы.

Согласно исследованию, проведенному Р.Ромером, перепад давления между наружной и внутренней частью головки, в случае замерзшего вертикального теплообменника, может достигать значений> более 23 бар. Даже если структура материала не нарушается, после таяния льда вокруг теплообменника контакт теплообменника с землей может быть прерван, что приведет к значительному ухудшению эффективности вертикального теплообменника (воздух в микрооболочке является теплоизоляцией).

Иногда дополнительным признаком замерзания вертикального теплообменника является поднятие теплообменника с земли (включая опускающиеся трубы) даже на полметра над землей. Это может привести к повреждению здания, например, к повреждению дорожного покрытия из брусчатки. Явление "взрыва" теплообменника более вероятно, если теплообменник размещен на песчаных или гравийных почвах. По этой проблеме, к счастью, в этом случае этого не произошло. В этом случае после быстрой реакции установщика стало возможным повысить температуру нижнего источника, сбросив их, снизив поддерживаемые температуры в помещениях с 23 до 20 ° С. Была активирована функция электрического нагревателя (с учетом параллельной работы нагревателя от теплового насоса), также возникла аура, то есть внезапное потепление и возникла температура воздуха выше 0 ° C.

В случае полного замораживания вертикальных теплообменников наилучшим решением является прерывание работы теплового насоса минимум на 1-2 недели и нагревание, например, с помощью электрического нагревателя, или попытка сброса нижнего источника, например, снижения заданной температуры в помещениях или уменьшения наклона кривой отопления ,

На основании экспериментов, проведенных в Швейцарии, в качестве предела температуры -5 ° C для температуры замерзания среднее значение составляет -5 ° C (например, ввод -2,5 ° C, выход -5,5 ° C) при использовании 30% раствора этиленгликоля и -7 ° C для раствора пропиленгликоля. 33% (например, -3,5 ° С, выход -6,5 ° С).

Из-за риска замерзания вертикальных теплообменников рекомендуемые стандарты выбора вертикальных теплообменников в Германии (VDI 4640 часть 2) не допускают падения средней недельной температуры нижнего источника ниже -3,5 ° C (вход / выход). Например, в Швейцарии до недавнего времени было рекомендовано, чтобы мин. средняя недельная температура была выше -2,5 ° С. Текущая рекомендация (стандарт SIA 386/4) - мин. средняя температура -1,5 ° С (выход 0 ° С, вход -3 ° С). Приведенные выше значения относятся к измерениям после периода использования 25 лет. В данном примере средняя недельная температура на втором году работы была -5oC (выходная -3oC, входная -7oC) и была значительно ниже всех заданных пределов.

Какова была причина замораживания?

В этом конкретном случае сочетание разных причин перекрывается. Основной причиной было ненадлежащее выполнение чердачной изоляции здания, что было подтверждено тепловизионными камерами. В результате, вместо расчетных тепловых потерь здания на уровне около 8 кВт, реальные проектные потери при температуре -20 ° C составили не менее 11 кВт (более 35%). Этот факт, однако, не может заморозить вертикальный наземный теплообменник без дополнительных обстоятельств. Есть и другие важные причины для добавления. Заказчик поддерживал температуру в помещениях не 20 ° С, а более 23 ° С. Возможно, что определенное «регулирование» комнатной температуры осуществлялось путем постоянного наклона окон. В переводе это на дополнительное количество энергии, это около 25-30%. Что еще хуже, здание не было полностью высушено. В случае новых зданий, возводимых по мокрой технологии, количество энергии, необходимой для сушки здания, составляет от 20% до 30% больше, чем для полностью сухих зданий.

Почти в два раза предполагаемое годовое потребление энергии из нижнего источника (рисунки 2 и 3) привело к значительному снижению температуры нижнего источника (грунт и антифриз). Наряду с постоянным понижением температуры нижнего источника, тепловая мощность теплового насоса также снизилась примерно на 15%, что привело к непрерывной работе компрессора в течение некоторого времени, несмотря на относительно высокие температуры наружного воздуха (от -5 до -8 ° C). Как следствие, после нескольких дней непрерывной работы теплового насоса весь вертикальный теплообменник был заморожен.

Хотя тепловой насос имел встроенный электрический нагреватель мощностью 5 кВт, он не был включен. Он был отключен программно установщиком в контроллере теплового насоса. Автоматическая активация электрического нагревателя с большой разборкой энергии эффективно защитит от замерзания нижнего источника.

Как вы можете избежать таких проблем?

Из-за феномена сушки нового здания стоит побудить клиента немного увеличить размер нижнего источника на мин. 15-20%. Одной из многих причин увеличения размера нижнего источника часто является практика поддержания более высоких температур в помещениях, чем стандартные 20 ° C. В некоторых странах строительные нормы и нормативные договоры обязывают строительные компании сушить здание (с использованием сушилок). Полезно посоветовать инвестору принять такой пункт в договорах со строительными компаниями.

Оба немецких руководства VDI 4640 часть. И, как и австрийские рекомендации ÖWAV-Regelblatt 207 и швейцарский стандарт SIA 384/6, недопустимо, чтобы здание можно было высушить только с помощью теплового насоса.

Кроме того, отопление строящегося здания только с помощью теплового насоса может осуществляться только под полным контролем (постоянный контроль температуры нижнего источника). Сушка струи отопления под полом может осуществляться с помощью теплового насоса, но обязательно с подключенным дополнительным источником тепла, например, электрическим нагревателем. При сушке излива только с помощью теплового насоса в зимние месяцы существует риск замерзания вертикального или горизонтального теплообменника.

Опыт показывает, что хорошим решением является изоляция здания с помощью тепловизионной камеры. Несмотря на стоимость, составляющую около 1000 злотых, эти расходы часто возвращаются с процентами. Затраты на ремонт изоляции и фасада после окончания гарантийного периода значительно выше.

Частой причиной чрезмерного энергопотребления с земли и замерзания теплообменника также является отопление строящегося здания. Временные двери, полости в изоляции, неизолированные тепловые мосты, частое и неправильное проветривание здания могут привести к значительному снижению температуры нижнего источника тепла.

Случаи замерзания теплообменников также возникают после подключения приемника в виде летнего бассейна к существующей отопительной установке. Высокое потребление энергии летом и отсутствие регенерации нижнего источника вызывает значительное постоянное снижение температуры почвы. Кроме того, расширение здания без увеличения размера нижнего источника представляет серьезную угрозу для правильной работы нижнего источника.

Другой возможной причиной проблемы является неправильная концентрация антифриза во всей или части установки, которая может привести, например, к тому, что фактически работает только один вертикальный теплообменник, а другой, в котором концентрация антифриза слишком высокая, не имеет адекватного потока среды и надлежащего приема. тепла. Кроме того, отсутствие баланса или плохой баланс потока хладагента через вертикальные теплообменники могут привести к аналогичным эффектам.

Теплообменник также может быть заблокирован неправильно заполненными отверстиями между трубой теплообменника и землей. Заполнение, используемое для испорченного или мелкого гравия, не гарантирует хорошую работу обменника.

Правильной защитой от замерзания вертикального теплообменника является использование нагнетания скважинного пространства скважины с заполнением масс из готовых смесей или цементно-бентонитовой смеси, изготовленной в процессе строительства. Это делается с помощью дополнительной инъекционной трубы снизу вверх. Это решение, используемое в качестве стандарта в Германии, Австрии или Швейцарии, начинает использоваться и у нас. Некоторые производители вертикальных теплообменников в Польше называют это условием получения 50-летней гарантии на правильную работу теплообменника. Это не значит, что в таком случае вы можете позволить себе подражать низшим источникам. Масса для наполнения и укупорки имеет ограниченное количество циклов замораживания / оттаивания. После превышения предельного количества X существует риск растрескивания уплотнительной массы, образования царапин и пустых мест на стыке трубы и массы наполнения. Все это может значительно ухудшить теплопередачу в теплообменнике, что приведет к аварийному отключению теплового насоса из-за низкого теплового КПД и большого падения температуры нижнего источника.

В польских условиях рекомендуемое значение энергии, извлекаемой из вертикального теплообменника, не должно превышать 80-90 кВтч / м. Предполагаемая мощность охлаждения для проектов без полного геологического признания не должна превышать 40 Вт / м. Подобные стандарты энергопотребления и мощности охлаждения в настоящее время приняты во многих странах, например, в Австрии или Швейцарии.

В скором времени мы можем ожидать появления новой версии немецких руководств VDI 4645, которые являются продолжением нынешних руководств для нижних источников VDI 4640 Blatt 1-4.
После запуска теплового насоса желательно постоянно следить за температурой нижнего источника. Быстрое падение температуры нижнего источника ниже 0 ° C уже является важным предупреждающим сигналом. Из-за риска замерзания теплообменника материалы труб класса, сопоставимого с ПЭ 100, и мин. номинальное давление PN 12. В целях безопасности рекомендуется использовать трубу с номинальным давлением PN 16. В некоторых странах, например, в Швейцарии, Германии или Австрии, трубы теплообменника с номинальным давлением PN 16 стали стандартными даже с короткими теплообменниками. Также соединение головки с трубой теплообменника не может быть выполнено в условиях строительства.

Как найти себя в безопасности?

Стоит защитить от возможных последствий чрезмерного потребления энергии из нижнего источника с помощью правильно сформулированных положений в договорах между установщиком и инвестором. Также желательно указать все ожидания и ограничения контракта, например, ожидание более высоких температур в помещениях или отсутствие возможности обогрева дополнительных помещений или бассейна без расширения нижнего источника. Все эти записи должны быть тщательно объяснены клиенту, чтобы знать о возможных последствиях чрезмерного потребления тепла тепловым насосом.

Важным инструментом, который может помочь установщику, является энергетический сертификат. Это может стать важным приложением к договору с инвестором. Это следует сделать до подписания договора с инвестором. Нынешняя практика показывает, что энергетические сертификаты выдаются только за неделю до того, как документация передается в строительную инспекцию г. Повят для получения окончательного одобрения здания. В этой ситуации энергетический сертификат носит только формальный характер, что также влияет на качество его реализации.

В первые годы эксплуатации теплового насоса желательно следить за температурой нижнего источника и помнить, чтобы не отключать функцию электрического нагревателя. Рекомендуется оставить тепловой насос работающим в моноэнергетическом режиме с возможностью включения электрического нагревателя, например, ниже температуры наружного воздуха -5 ° C.

Каждый случай замерзшего источника холода (несмотря на то, что это случается очень редко) является провалом не только для конкретного установщика или клиента, но и для всей отрасли тепловых насосов, что портит имидж тепловых насосов в целом.
Я убежден, что расширение знаний инсталлятора, дизайнера и инвестора по описанной проблеме позволит в достаточной степени защитить от негативных последствий замерзания нижнего источника.

Важной задачей, стоящей перед промышленностью тепловых насосов, является разработка и внедрение стандартов и руководств, касающихся качества выбора и производительности низших источников, аналогичных тем, которые успешно использовались в Германии, Австрии или Швейцарии в течение многих лет.

Павел Лахман

Литература и источники:

1. Немецкие рекомендации VDI 4640 Blatt 2.
2. Австрийское руководство ÖWAV-Regelblatt 207 (2-й выпуск 2009 г.).
3. Швейцарский стандарт SIA 384/6 Erdwärmesonden (издание 2010 г.).
4. Программа компьютерного моделирования WP-OPT- www.wp-opt.pl.
5. Документация по Schadensfällen bei Erdwärmesonden (опубликовано Energieschweiz, 2006).
6. Lebensdauer von Erdwärmesonden в Bezug auf Druckverhältnisse und Hinterfüllung (Э. Ронер, Л. Рыбах, М. Солтон, 2001).
Смотрите статью в формате PDF