Геотермальный тепловой насос с прямым обменом

Система DX пробурена в 1980-х годах.

Геотермальный тепловой насос с прямым обменом (DX) — это тип геотермального теплового насоса , в котором хладагент циркулирует по медным трубкам, расположенным в земле, в отличие от других геотермальных тепловых насосов, где хладагент ограничен самим тепловым насосом со вторичным контуром в земле. залит смесью воды и антифриза.

Простота конструкции DX заключается в том, что высокая эффективность может быть достигнута при использовании более короткого и меньшего количества подземных труб, тем самым уменьшая как занимаемую площадь, так и стоимость установки.

Другие наименования

Технология имеет множество других названий и обозначений:

• Геотермальный тепловой насос с прямым обменом
• DX
• Тепловые насосы с прямым геообменом - используются Институтом кондиционирования, отопления и охлаждения. Архивировано 18 ноября 2016 г. в Wayback Machine (AHRI) и сокращенно DGX.
• Земляные тепловые насосы прямого расширения - используются Американским обществом инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE).
• Геотермальные тепловые насосы прямого действия
• Геотермальные системы на основе хладагента
• Безводная геотермальная энергия

История

Первым геотермальным тепловым насосом была система DX, построенная в конце 1940-х годов Робертом К. Уэббером. Для повышения эффективности в нем использовался газ фреон и заглубленные медные трубки.

Позже В конструкции геотермальных тепловых насосов начали включать дополнительный контур пластиковых труб для циркуляции воды в глубоких колодцах, чтобы собрать достаточно тепла для крупных промышленных предприятий, таких как цементные заводы. Таким образом, технология источников воды развивалась благодаря промышленному интересу, в то время как DX, более подходящий для жилых и легких коммерческих проектов, таких как малый бизнес и частные дома, отставал.

В то время как технология развивалась в 80-х и 90-х годах, некоторые из первых производителей столкнулись с проблемами с системой управления хладагентом и маслом. В прошлом некоторые производители геотермальной энергии DX проектировали свое оборудование аналогично обычному тепловому насосу, который продается сегодня на рынке. Некоторые из этих старых геотермальных конструкций DX работали отлично, в то время как у других возникали проблемы с возвратом масла .

В 2016 году предполагалось, что лишь меньшинство будущих систем будет использовать технологию DX.

Принципы работы

Основная статья: геотермальный тепловой насос

Цикл сжатия пара в геотермальной системе DX

Тепловые насосы с прямым обменом представляют собой геотермальные системы с замкнутым контуром, в которых для обмена тепла с землей используются медные трубы диаметром от ¼ до 1-1/8 дюйма. Медные трубы укладываются в землю и образуют контур заземления – иногда также называемый контуром заземления или контуром хладагента – где циркулирующий хладагент претерпевает фазовый переход путем обмена теплом с землей: в режиме нагрева он поглощает тепло и переходит из жидкого состояния в газ (испарение), а в режиме охлаждения отдает тепло и переходит из газа в жидкость (конденсируется).

Приложения

Типовая буровая установка для установки DX, длина 8 футов.

Типовая буровая установка для установки источника воды, длина 22 фута

Системы прямого обмена представляют собой довольно простые системы, основанные на хладагенте, и работают без необходимости использования антифризов, промывки системы, циркуляционного насоса, бурения водяных скважин или сантехнических работ. Геотермальные системы с прямым обменом являются наименее инвазивными геотермальными системами и имеют небольшой размер контура заземления. Благодаря этому их можно устанавливать на относительно небольших площадях и в относительно неглубоком грунте – типичная глубина петли не превышает 100 погонных футов. Компактность систем контура заземления, которые требуют меньше бурения и скважин меньшего размера, компенсирует более простую систему, которая дешевле и быстрее устанавливается.

Использование меди

В системах прямого обмена используется медь, поскольку она является отличным материалом для наземного теплообменника и проста в производстве. Медные трубы прочные и пластичные; устойчив к коррозии; имеет очень высокую теплопроводность; и доступен в различных диаметрах и в бухтах большой длины. Медные соединения можно паять, трубки можно сгибать, а медные трубки экономически доступны.

Кроме того, медь имеет долгую историю использования в системах кондиционирования и охлаждения , а также является предпочтительным материалом для питьевой воды для водопроводов, проложенных под землей и в зданиях.

Медь использовалась в архитектурных сооружениях с древности, поскольку это благородный металл – один из немногих, которые можно найти в природе в земле. Это делает его прочным, устойчивым к атмосферным воздействиям и коррозии материалом с неограниченным сроком службы в большинстве почв.

Хотя медь добывается из самой земли и является благородным металлом – и поэтому почти полностью невосприимчива к коррозии в почвах, встречающихся по всему миру – она все же может подвергнуться некоторой коррозии в аномально агрессивных почвах. Обычно для начала коррозии требуется окислительная среда, а большинство почв восстанавливают, таким образом, они отдают электроны меди и защищают ее от коррозии. В тех местах, где могут существовать коррозионные условия, медь естественным образом образует на своей поверхности защитную пленку, которая остается неповрежденной в большинстве почвенных условий.

Для особо агрессивных почв системы DX оснащены системой катодной защиты . Принцип состоит в том, чтобы защитить металлическую поверхность от коррозии, сделав ее катодом электрохимической ячейки. В этом процессе металл – медь – соединяется с жертвенным металлом, который на своем месте подвергается коррозии. Коррозия металлов — это электрохимический процесс разрушения, который возникает в результате потери электронов при их реакции с водой и/или кислородом. Поскольку ток течет из системы защиты контура заземления, защищаемая металлическая поверхность имеет равномерный отрицательный электрический потенциал, что предотвращает коррозию контуров заземления даже в агрессивных средах.

Конфигурация контура заземления

Три основные конфигурации контура заземления

Система контура заземления может быть установлена ​​в нескольких различных конфигурациях. Три наиболее распространенные конфигурации:

1. Вертикальный
2. Диагональ
3. Горизонтальный

Диагональные и вертикальные конфигурации обычно требуют сверления и цементации в просверленных отверстиях. Затирка повторно запечатывает землю под поверхностью, так что естественные водоносные горизонты грунтовых вод не прерываются. Все диагональные и вертикальные системы должны быть залиты снизу вверх.

Диагональные системы обычно занимают очень небольшую площадь.

Горизонтальные конфигурации обычно требуют прокладки только траншеи в выкопанных траншеях или яме. Горизонтальные системы обычно не требуют затирки, за исключением случаев направленного бурения.

Определение размеров системы

Системы DX в настоящее время производятся грузоподъемностью от 2 тонн (7,03 кВт) до 6 тонн (21,10 кВт). Более крупные проекты могут быть реализованы путем установки нескольких единиц.

См. также

• Охлаждение глубоководного источника
• Геотермальное отопление и охлаждение
• Геотермальный тепловой насос
• Заземленный теплообменник
• Тепловые насосы

Внешние ссылки

• Геотермальные тепловые насосы (Министерство энергетики США)
• Министерство энергетики США
• Организация геотермального обмена (GEO)
• Канадская коалиция геообмена. Архивировано 5 февраля 2014 г. в Wayback Machine.
• Международная ассоциация геотермальных тепловых насосов (IGSHPA)
• Ассоциация геотермальных тепловых насосов – Великобритания
• Институт кондиционирования, отопления и охлаждения (AHRI). Архивировано 18 ноября 2016 г. в Wayback Machine.
• Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE)
• Ассоциация развития меди, Inc.