эмблемка

современные
инженерные системы
Минск, Минский район


+375 33 660-55-50
+375 29 113-70-57

Наши объекты:

сблокированный дом частный дом дом в классическом стиле коттедж коттедж частный дом загородный дом просторный дом усадьба двухквартирный дом одноэтажный дом двухэтажный дом небольшой дом кирпичный коттедж пригородный дом каркасный загородный дом на винтовых сваях с мансардой дом с конденсационным котлом система отопления на твердотопливном котле с теплоаккумулятором отопление водяным теплым полом от электрокотла без фото

Перепечатка статей, равно как и их отдельных частей, запрещена. Мы хотим оставить за собой право на эксклюзивное размещение данного материала на нашем сайте home-engineering.net. Здесь мы делимся знаниями и опытом, наработанными нашей командой за годы работы в сфере проектирования и монтажа инженерных систем.


К списку статей

Введение
Исходные данные
Расчеты и графики
Важные замечания
Выводы


Введение наверх


Достаточно давно предложена и используется на практике идея предварительного нагрева холодного уличного приточного воздуха перед подачей его в систему вентиляции загородного дома путем пропускания его по трубам грунтового коллектора. Грунтовый коллектор или грунтовый теплообменник, обычно из гладких пластиковых труб, монтируется на глубине от 1,5м до 3,0м, где температура грунта в течение года относительно стабильна. При прохождении холодного уличного воздуха по грунтовому теплообменнику (коллектору) происходит теплообмен между более тёплым грунтом и воздухом. Температура приточного воздуха по мере движения его к выходу грунтового теплообменника увеличивается и приближается к температуре грунта на глубине заложения коллектора.

грунтовый коллектор

Схематичное устройство и принцип работы грунтового воздушного коллектора.

Таким образом, удается повысить температуру приточного воздуха для системы вентиляции дома без дополнительных затрат энергии, по сравнению с традиционным нагревом приточного воздуха электричеством или водяным калорифером. Однако, возникает закономерный вопрос: насколько эффективен данный процесс и какова экономическая целесообразность изготовления, эксплуатации и обслуживания такого грунтового коллектора.

Теоретическую эффективность процесса нагрева приточного воздуха в грунтовом воздушном коллекторе оценить достаточно просто — исходя из среднемесячных температур уличного воздуха и грунта на глубине заложения коллектора. И эта эффективность будет максимально возможной, превысить которую не получится, пока веришь во Второе Начало Термодинамики и не используешь "колдовство" в виде тепловых насосов.

С экономической целесообразностью немного сложнее, ведь всё очень сильно зависит от стоимости грунтового коллектора, стоимости энергоресурсов, ссудного процента и ожиданий конкретного человека…

Поэтому в этой статье мы постараемся ответить на следующие вопросы (применительно к Минской области):

  1. Какова температура грунта на глубине заложения грунтового коллектора в различные месяцы года (среднегодовая температура грунта на глубине).
  2. Какое максимально возможное (теоретическое) количество тепловой энергии можно передать от грунтового теплообменника к приточному воздуху для характерного расхода воздуха для вентиляции в 200м³/ч в различные месяцы отопительного периода. Для других расходов воздуха полученные абсолютные значения энергии изменяются пропорционально.
  3. Какую долю от общей тепловой энергии, требуемой на нагрев приточного воздуха для каждого месяца отопительного сезона, составляет энергия, получаемая из грунта при разумном ограничении эффективности теплопередачи в грунтовом коллекторе в 80%. Эта доля теоретически не зависит от номинального значения расхода воздуха в системе вентиляции.
  4. Какие важные моменты требуется учитывать при организации нагрева приточного воздуха в грунтовом коллекторе.


Исходные данные наверх


Для расчётов и оценок будем использовать результаты долговременных метеонаблюдений за температурами уличного воздуха и почвы на разных глубинах в период с 1981 по 2010 для Минска и Минского района из государственного климатического кадастра.

гидрометеорологические станции

Сеть гидрометеорологических станций Беларуси по состоянию на 2016г.

Средняя месячная и среднегодовая температура наружного уличного воздуха и почвы на глубинах по вытяжным грунтовым термометрам для Минска и Минского района для глубины 1,6м и 3,2м:

Месяц Воздух
°C
Почва 1,6м
°C
Почва 3,2м
°C
Январь -4,5 3,9 6,5
Февраль -4,4 3,1 5,5
Март 0,0 2,8 5,0
Апрель 7,2 3,9 4,7
Май 13,3 7,4 5,9
Июнь 16,4 10,7 7,9
Июль 18,5 13 9,8
Август 17,5 14,1 11,2
Сентябрь 12,1 13,2 11,7
Октябрь 6,6 11,0 11,1
Ноябрь 0,7 8,0 9,7
Декабрь -3,4 5,4 8,0
За год 6,7 8,0 8,1
За октябрь-март -0,8


Расчеты и графики наверх


Для наглядности отобразим на двух графиках (для глубины грунта 1,6м и 3,2м соответственно) температуру наружного уличного воздуха, температуру грунта на глубине и разницу между ними для каждого месяца отопительного периода.

график температур на глубине 1,6 метра

Температура наружного воздуха и температура грунта на глубине 1,6м (Минский район)

график температур на глубине 3,2 метра

Температура наружного воздуха и температура грунта на глубине 3,2м (Минский район)

Из графиков видно, что максимальная разница температур между грунтом и уличным воздухом составляет около 9К и 11К для заглубления воздушного коллектора в 1,6м и 3,2м соответственно.

Также, нужно отметить, что в сентябре для любой глубины заложения воздушного коллектора разница между температурой грунта и наружного воздуха очень мала и составляет около 0…1К. Это приводит к прекращению нагрева приточного уличного воздуха в подземном коллекторе теплом земли, т.к. тепловой напор ничтожно мал.

В апреле же разница между температурой грунта и наружного воздуха и вовсе отрицательна, составляя около -3К, что приводит даже к дополнительному переохлаждению приточного уличного воздуха в подземном коллекторе и увеличивает затраты на последующий догрев притока.

Эффективный подогрев приточного воздуха теплом грунта возможен лишь в течение четырех месяцев отопительного периода — с ноября по февраль включительно.

Для оценки экономической пользы от нагрева приточного уличного воздуха в подземном грунтовом коллекторе, на следующих графиках приводим значения общей мгновенной тепловой мощности, требуемой на подогрев уличного воздуха до комнатной температуры в +21°С; мгновенной мощности, снимаемой с грунтового теплообменника и разницы между ними — мощности, требуемой для окончательного догрева приточного уличного воздуха до комнатной температуры.

Мощности рассчитаны для характерного расхода воздуха в 200м³/ч и при условии 80% эффективности процесса теплопередачи в грунтовом теплообменнике. Последняя цифра является разумной и достаточно оптимистичной оценкой эффективности работы грунтового коллектора. При больших/меньших расходах воздуха мощность на нагрев, теоретический теплосъём с грунта и мощность на догрев воздуха будут пропорционально меняться.

Мощность нагрева на глубине 1,6 метра

Полная тепловая мощность для нагрева приточного воздуха объемом 200м³/ч, поступление тепла от грунтового коллектора при условии 80% эффективности и дополнительная тепловая энергия для догрева приточного воздуха до комнатной температуры для глубины заложения коллектора 1,6м (для Минского района).

Мощность нагрева на глубине 3,2 метра

Полная тепловая мощность для нагрева приточного воздуха объемом 200м³/ч, поступление тепла от грунтового коллектора при условии 80% эффективности и дополнительная тепловая энергия для догрева приточного воздуха до комнатной температуры для глубины заложения коллектора 3,2м (для Минского района).

Из графиков видно, что съём тепла с грунта в подземном коллекторе для расхода в 200м³/ч не превышает 500 и 600 Вт для глубин заложения коллектора в 1,6м и 3,2м соответственно. А дополнительная мощность, требуемая на догревание приточного воздуха после грунтового коллектора до комнатной температуры в +21°С, составляет от 500 до 1200Вт. Т.е. теоретическая доля тепла, которую можно получить из грунта и передать приточному воздуху для любых расходов составляет не более 30-40%. Значит 60-70% тепловой энергии понадобиться из других источников для нагрева притока до комнатной температуры.

Полученная тепловая энергия

Процент тепловой энергии, который можно получить от грунтового воздушного коллектора в условиях Минского района для глубин заложения труб 16м и 3,2м.

В среднем же за шесть месяцев отопительного сезона (с октября по март включительно) доля тепла из грунта, которую можно теоретически получить от грунтового коллектора и передать приточному воздуху составит 24% для глубины заложения коллектора 1,6м и 30% для глубины заложения коллектора 3,2м.


Важные замечания наверх


При устройстве грунтового воздушного коллектора следует обращать внимание на следующие важные моменты.

  • Вопросы гигиены. Вероятность периодического появления конденсата в трубах коллектора в определенные периоды года требует аккуратного монтажа, организации уклонов и возможности дренажа конденсата.
  • Периодическое ежегодное обслуживание и дезинфекция грунтового коллектора. Установка и замена фильтров на входе в коллектор.
  • Повышенный расход энергии на работу вентилятора в системе вентиляции, что связано с необходимостью транспортирования приточного воздуха по протяжённой сети подземных каналов с достаточно высокой скоростью, для интенсификации теплообмена с грунтом (турбулентный режим потока).
  • Труднопредсказуемый характер реальной эффективности теплообмена между грунтом и воздухом из-за множества факторов — теплопроводности грунта (сухой песок или влагонасыщенные глины), режим течения воздушного потока в трубах (турбулентный или ламинарный), регенерация грунтового теплообменника к следующему отопительному сезону и т.п.


Выводы наверх


Теоретически возможный теплосъём от грунтового воздушного коллектора в условиях климата Беларуси составляет порядка 25…30% от общих энергозатрат на подогрев приточного воздуха в системе вентиляции дома. В реальных условиях эксплуатации он может быть даже ниже.

Целесообразность устройства подземного воздушного коллектора для нагрева приточного воздуха не является однозначной и требует обязательного учета всех сложностей, связанных с устройством и обслуживанием такого сооружения.

Предварительный нагрев приточного уличного воздуха в грунтовом коллекторе практически на 100% гарантирует снижение риска обмерзания рекуператора в системе вентиляции, однако может приводить к снижению КПД рекуператора вентиляционной установки ввиду уменьшения разности температур между входящим потоком уличного воздуха и отработанным воздухом из дома.


Если вам необходимо осуществить проектирование и монтаж инженерных систем для вашего дома в Минске и Минском районе; вы хотите получить консультации и выполнить монтаж системы отопления, водоснабжения, канализации, вентиляции, встроенного пылесоса, выполнить электромонтажные работы; сделать необходимые расчеты и подобрать оборудование; либо вы столкнулись с трудностями при реализации ваших идей — мы будем рады вам помочь.