Грунтовый теплообменник. Воздушный или жидкостный?

Решил собрать и систематизировать информацию о двух типах грунтовых теплообменников, все чаще применяемых в системах вентиляции, «Грунтовый Воздушный теплообменник» (ГТ) и «Грунтовый жидкостный теплообменник» (грунтовый коллектор).
У каждого типа есть свои плюсы и минусы, границы применимости.

На основе собранной информации может быть создана сравнительная таблица и, если достижимо, - алгоритм выбора типа теплообменника исходя из начальных условий и важности тех или иных критериев для выбирающего. Так же хотелось бы описать методологию расчета теплообменника.

Приглашаю заинтересовавшихся поучаствовать.

 

Возможно имеет смысл посты оформлять по следующему шаблону:

<Название раздела>
<обсуждаемая характеристика>
Характерно для воздушного и жидкостного теплообменников
<текст>
Характерно для воздушного теплообменник а

<текст>

Характерно для жидкостного теплообменника
<текст>

Выводы
<текст>

Предлагаю начать со следующих разделов:

Общее описание

Тепловая нагрузки на грунт

Ограничения

Надежность

Безопасность

Технологичность

Эксплуатация

Описание особенностей, присущих только одному типу теплообменника

Методология расчета теплообменника
….

 

Общее описание

Характерно для воздушного и жидкостного теплообменников
Грунтовые теплообменники применяют в системах вентиляции для использования низкопотенциального тепла грунта для предварительного подогрева входящего воздуха зимой или для охлаждения летом.

Характерно для воздушного теплообменник а

ГТ состоит из массива труб диаметрами 110-250 мм, проложенных под участком на глубине ниже глубины промерзания. Воздух для вентиляции проходит непосредственно по ним, выступая в роли теплоносителя

Характерно для жидкостного теплообменника

Конструкций жидкостных теплообменников довольно много. Они группируются по типам:

· Горизонтальные теплообменники (грунтовые коллекторы)

· Вертикальные теплообменники, так называемые «зонды»

· теплообменники типа «корзина» и «спираль»

· Кластерное геотермальное поле

Рассмотрение всех классов выходит за рамки топика. Пока думаю ограничится горизонтальными теплообменниками. Геоколлектор состоит из цельного куска трубы, как правило ПНД, проложенной под участком на глубине ниже глубины промерзания. Диаметр, ка правило 32-50 мм. По контуру циркулирует жидкий теплоноситель, теплообмен с входящим в помещение воздухом осуществляется посредством теплообменника жидкость-воздух, установленного в воздушном канале приточной вентилляции

 

Наиболее масштабные обсуждения теплообменников, подключенных к системе вентиляции, известные мне:
жидкостного теплообменника https://www.forumhouse.ru/threads/192227/
воздушного теплообменника https://www.forumhouse.ru/threads/70670/

 

Тепловая нагрузки на грунт

Погонная мощность

Характерно для воздушного и жидкостного теплообменников
Погонная мощность может быть вычислена по формуле:

P (Вт)=(t1-t2)/Rгр

t1 - «опорная температура» грунта

t2 – температура теплоносителя

Rгр – тепловое сопротивление грунта

тепловое сопротивление грунта Rгр по отношению к трубе определенного диаметра вычисляется по формуле:

Rгр=ln (4h/d)/2πλгр

(схема во вложении)

h– глубина залегания трубы

d– диаметр трубы

λгр – теплопроводность грунта

P (Вт)=(t1-t2)/R

P – погонная мощность

Теплопроводность ПЕ, ПВХ одного порядка с теплопроводностью грунта, толщина стенок труб несколько миллиметров, поэтому тепловым сопротивлением стенок труб можно пренебречь.

В таблице во вложении посчитаны воздушный и жидкостный линейные теплообменники с равными входными данными:

- К-т теплопроводности λгр

- Воздухообмен (м3/Час)

- Опорная температура (применено допущение что на расстоянии 2м от трубы температура постоянна и равна 5 градусов)
- T (требуемый нагрев входящего воздуха)

Рассчитаны:

Мощность теплообмена на каждом участке теплообменника с шагом 1м

Нагрев теплоносителя на каждом участке теплообменника

Градиент температур на удалении от оси теплообменника до 2м

Характерно для воздушного теплообменник а
В воздушном теплообменнике происходит непосредственный нагрев воздуха для вентиляции.

Таким образом, температура теплоносителя на входе в теплообменник равна наружной температуре воздуха. Благодаря этому достигается максимальная разница температур между температурой теплоносителя и «опорной температурой» грунта на входе в теплообменник. Благодаря существенному диаметру трубы (110-250мм) достигается уменьшение сопротивления Rгр. В представленном примере тепловой поток на первом метре теплообменника равен 72 Вт.

Характерно для жидкостного теплообменника
При расчете жидкостного теплообменника была выполнена следующую последовательность расчетов:
- Посчитана требуемая мощность для нагрева заданного потока воздуха на заданную дельту

- Теплоносителем выбрал водо-спиртовой раствор 40% по массе, посчитал для него итоговую теплоемкость и плотность.

- диаметр трубы постарался выбрать минимально-оптимальным для оптимизации объема теплоносителя (выбрал ПЭ-32 с внутренним диаметром 26мм)

- подбирал скорости потока, дельту температур на входе в грунтовый теплообменник чтобы достичь положительных температур на выходе и требуемую мощность.

По причине большой теплоемкости теплоносителя дельта температур на входе в грунтовый теплообменник получилась на треть меньше в сравнении с воздушным грунтовым теплообменником. Это плюс малый диаметр трубы обусловило в два раза меньшую погонную мощность жидкостного теплообменника в сравнении с воздушным. Таким образом, длина теплообменника получилась равна 100м.

Выводы
1. Погонная мощность воздушного теплообменника в два раза выше жидкостного.
Основная причина в максимальной дельте температур на входе. На практике это значит, что в сравнении с воздушным теплообменником для обустройства жидкостного нужно вырыть траншею той же длины шириной 1,2 метра и заложить петлю вдоль стенок. Существует ряд методов повышения мощности теплосъема по отношению к занимаемой площади теплообменника (раскладка труб кольцами, применение энергетических корзин и т. д.)

Ремарка1: ранее я воспроизводил аксиому «с погонного метра теплообменника более 20-30 Вт в большинстве грунтов не взять». Она верна для жидкостных теплообменников, нагруженных на ТН. ТН имеют ограничение минимальной температуры рассола, как правило -10градусов. Теперь эти 20-30Вт я воспринимаю как среднюю мощность с погонного метра.

Ремарка2: до проведенных расчетов я воспринимал это как маркетинговый ход, полагая что практического смысла такие конструкции не имеют. Я и сейчас продолжаю не видеть особого смысла в этом. Демонстрирую: чтобы грубо прикинуть эффективность данной меры увеличим параметр λгр с 1,5 до 3. R грунта уменьшилась 0,608 до 0,304. Мощность выросла с 1818,49 до 2296,24, - т. е. на 25%. При этом длина трубы вырастет раза в три.

2. Опорная температура в расчетах принята постоянной условно. На практике в зоне интенсивного теплообмена она должна существенно снижаться. В результате этого объем вымороженного грунта в районе первой четверти длины от воздухозабора воздушного теплообменника должен быть существенным. Жидкостный теплообменник более равномерно отбирает энергию у грунта, поэтому область промерзания должна быть меньше.

3. Мощность, снимаемая с грунтового воздушного теплообменника, зависит только от воздухообмена и температуры воздуха на входе. Мощность жидкостного теплообменника регулируется скоростью потока (производительностью циркуляционного насоса) и может быть увеличена ценой уменьшения температуры теплоносителя на выходе.

 

Оочень подробные расчеты. Приятно смотреть и изучать. Вы мне помогли определится

 

А если грунтовый ТО будет находится под домом (пол, фундамент теплоизолирован, таким образом температура на уровне тех же 10-ти см будет положительная), то h как будет меняться?

 

В смысле на 10 см. ниже уровня теплоизоляции пола?
Rгр=ln (4h/d)/2πλгр используется при расчете теплотрасс. Я так понял, что она отчасти эмпирическая. Для одиночного горизонтального грунтового ТО тоже подходит.
Для вертикального ГТ формула должна быть Rгр=ln (2h/d)/2πλгр.
h в данном случае радиус, на котором изменением температуры грунта в результате теплообмена с ГТ можно пренебречь. Температуру на удалении h от ГТ считаем "опорной". Я бы не выбирал значение h меньше 2м если ближе нет грунтовых вод.
Ориентировочно, если не учитывать теплопотери дома, Rгр можем смело умножать на 2. Получаем: Rгр=ln (2h/d)/πλгр.

По поводу самой идеи ГТ под домом. Это очень заманчиво в плане трудозатрат, и прочих, но на мой взгляд в общем случае стоит учесть:
1. Возможно неравномерное промерзание грунта под домом
2. Возможно неравномерное пучение грунта под домом
3. Увеличиваются теплопотери пола и фундамента (люди утепленную отмостку устраивают вокруг дома, а мы пятно под домом морозить планируем)
4. Сезонное использование ГТ исключается, т. к. за лето нужно восстановить температуру массива грунта под домом (вне пятна дома это делает солнце, дожди и т. д), иначе войдем в следующий отопительный сезон с "опорной температурой" ниже чем в текущем.
5. Полная неремонтопригодность конструкции ГТ

Но! Если под домом относительно близко грунтовые воды, и грунты не пучинистые, то расположение воздушного ГТ непосредственно над ними, а жидкостного и ниже, нивелируют п. 3, 4.
Пункты 1, 2 нивелируются в случае если величина теплообмена ГТ не приводит к промерзанию значимых слоев грунта под домом. Для воздушного ГТ, как вариант, воздухозабор организовать на удалении порядка 10м от дома. Для жидкостного условия обмерзания наступают гораздо позже, т. к. дельты температур между входом и выходом ГТ существенно меньше чем у воздушного.

 

Если полы по грунту, то да, а если утепленное перекрытие, то в 10 см. под землей. Ну, 10 см., конечно это так на обум написал, на самом деле, если расстояние между соседними обменниками должно быть не меньше 50см, то можно в 50-ти см пускать под землей.

4 п. Если и летом его использовать, вместо кондиционера, то температура под землей тоже наберется.
1,2. Пункты, если грунт не пучинистый, то тоже можно не рассматривать.

 

Температура на удалении это температура грунта по х или у все таки?

 

Удаление от оси трубы. "Х" на картинке.

 

Спасибо

 

Это дельта между температурой входящего в темлообеннник воздуха и на выходе из него или Т на выходе из теплообменника?
И по жидкостному. Откуда вы взяли Т теплоностителя на входе в теплообменник минус 15 гр? И длина контура как-то считается программой?

 

Т на выходе из теплообменника. Задаете исходные данные, - выясняете на каком погонном метре ГТ воздух прогревается до требуемой Вам температуры Т. (Для воздушного ГТ)

Длина контура рассчитывается на основе сопоставления посчитанной требуемой мощности по нагреву воздуха и мощности, снимаемой контуром при заданных исходных условиях.

Я это делал исключительно в целях сравнить эффективность теплообмена с грунтом. Подобранный в таблице режим работы жидкостного ГТ трудно воспроизводим в реальной жизни.
Никто не будет стабилизировать скорость потока жидкости. Мало кто будет сильно переразмеривать площадь теплообменника жидкость/воздух.
В реальности предполагаю что:
- Температура теплоносителя на входе в теплообменник будет от 0 до -5
- Скорость потока порядка 0,5 - 1 м/с
Что ухудшает результаты эффективности жидкостного ТО при прочих исходных. Все таки дельты очень важны в вопросе теплопередачи. Поэтому прямой нагрев воздуха в воздушном ГТ максимально эффективен.
Сравнительно низкая эффективность жидкостного ГТ меня совсем не смущает потому что основную задачу данного ГТ я вижу только в исключении обмерзания пластин рекуператора, на который он будет нагружен. В зависимости от модели рекуператора допустимая температура на входе может быть до -10 градусов.

Сравнивать типы ГТ нужно по комплексу параметров. Пока рассмотрен только один.

P. S. Предложенный формат сообщений топика не нашел поддержки.
Никто своими соображениями кроме меня не поделился.
Сравнение по другим параметрам:
- процедур и затрат процесса эксплуатации
- вопросов надежности
- вопросов безопасности (грибки и плесень в воздушном ГТ без регулярных санаций рано или поздно появятся, а жидкостный ГТ этой опасности не подвержен)
- и т. д.
пока не состоялось

 

@musienkoalex, Я поделюсь соображениями, т. к. опытом пока поделиться не могу.
1. Как бы приспособить вашу таблицу к расчету теплообменника?
Например:
- задавать длину, диаметр ПНД и скорость жидкости в грунтовом теплообменнике,
- учитывать (заложив в базу таблицы) среднюю температуру грунта и наружного, входящего в ТО наружного воздуха помесячно, например для МО;
- получать мощность тепллобменника, на каждый месяц года.
2. Как дальше эту расчетов систему настроить на выбор оборудования пока не придумал.