Гелиотеплоснабжение и тепловые насосы

Использование для ТС солнечной энергии и низкотемпературной теплоты различных сред (воздуха, воды, грунта и др.) с помощью тепловых насосов относится к перспективным направлениям. Широкое внедрение этих направлений в практику ТС сдерживается в основном из-за высоких капитальных затрат на оборудование таких с-м.

Как источник ТС солнечная энергия имеет специфические особенности:

1) использование ее эффективно только в определенных районах, имеющих большое число солнечных дней в году (южных, горных и т. п.);

2) максимальные теплопоступления происходят в летнее время, когда тепловая нагрузка минимальна;

3) теплопоступления происходят только в солнечные дни, а в пасмурные дни и ночные часы они отсутствуют.

Поэтому при использовании солнечной энергии необходимы аккумулирующие устройства или дополнительные источники теплоты (или то и другое), компенсирующие нехватку теплоты при отсутствии теплопоступлений.

Для использования солнечной энергии применяются солнечные коллекторы (гелиоприемники), внутри которых циркулирует теплоноситель. Обращенная к солнцу наружная поверхность гелиоприемника выполняется из материала черного цвета, который лучше всего поглощает солнечные лучи и за счет этого сильнее нагревается. От этой поверхности происходит уже нагрев теплоносителя, подаваемого к потребителям. Гелиоприемники устанавливаются на крыше и стенах зданий или специальных сооружений с ориентацией на солнечную сторону и углом наклона к горизонту не менее 60° для обеспечения естественного стока атмосферных осадков. В качестве теплоносителя используется обычно вода или незамерзающие жидкости (антифриз из смеси этиленгликоля с водой). При отсутствии теплопоступлений иногда предусматривают меры против замерзания воды: принудительную циркуляцию или слив воды из контура, установку гелиоприемников в утепленном помещении и др.

Применяемые в настоящее время схемы ТС с использованием солнечной энергии могут быть подразделены по следующим признакам:

1) по связи с традиционной с-мой ТС – раздельная (независимая) и совмещенная (зависимая);

2) в зависимости от числа контуров в схеме ТС – одноконтурная и двухконтурная.

При раздельном способе каждая из схем ТС выполняется независимо друг от друга, что упрощает их монтаж и эксплуатацию. Однако капитальные затраты максимальные, т.к. в каждой из схем выполняются свои отопительные приборы, разводки труб и др. При совмещенном способе нагрев теплоносителя, подаваемого в с-мы отопления, производится теплотой, получаемой вначале в гелиоприемнике, а затем в традиционном источнике (например, в домовой котельной). При этом используются одни и те же отопительные приборы, что снижает капитальные затраты, однако эксплуатация таких установок более сложная.

В одноконтурных схемах гелиотеплоснабжения теплоноситель, циркулирующий через гелиоприемник, подается непосредственно в с-мы отопления (с предварительным догревом при необходимости в традиционном источнике теплоты). В двухконтурных схемах теплоноситель, циркулирующий через гелиоприемник, подается в теплообменник, где производится подогрев воды для с-м отопления.

Простейшая двухконтурная зависимая схема гелиотеплоснабжения показана на рис. 11.7. Теплоноситель первого контура нагревается в гелиоприемниках 1 и поступает в водоподогреватель 8, где отдает теплоту воде, подаваемой на горячее водоснабжение и отопление. Водоподогреватель является одновременно и аккумулятором, который запасает теплоту при наличии солнечной энергии и разряжается при отсутствии солнца. Догрев подаваемой к потребителям воды до расчетных параметров производится в котле 6 для с-м отопления и водогрейной колонке 7 для ГВ.

Рис. 11.7. Простейшая двухконтурная зависимая схема ТС здания с использованием солнечной энергии:

1 – гелиоприемник; 2 – расширительный бак; 3 – воздушник; 4 – водоразборный кран; 5 – отопительный прибор; 6 – котел; 7 – водогрейная колонка; 8 – водоподогреватель-аккумулятор; 9 – циркуляционный насос.

К тепловым насосам относятся установки, повышающие потенциал отбираемой низкотемпературной теплоты до требуемого для использования уровня путем затраты механической, электрической или др. энергии.

Принцип их работы аналогичен принципу работы холодильных машин, которые отбирают теплоту из охлаждаемого объема (низкотемпературная теплота), повышают ее потенциал и затем удаляют теплоту при более высоком температурном уровне, например при комнатной темп-ре.

По принципу действия тепловые насосы подразделяются на компрессионные, сорбционные и термоэлектрические.

В компрессионных установках отбор низкотемпературной теплоты осуществляется специальным рабочим агентом, а повышение потенциала теплоты – путем механического сжатия его в компрессоре. После охлаждения рабочего агента (т. е. отдачи теплоты потребителю) для повторения цикла производится его расширение (дросселирование), при котором теплосодержание рабочего агента снижается ниже параметров отбираемой низкотемпературной теплоты. В зависимости от рабочего агента такие тепловые насосы подразделяются на воздушно-компрессионные и парокомпрессионные.

В сорбционных установках процессы отбора низкотемпературной теплоты и ее отдачи основаны на термохимических реакциях поглощения (сорбции) рабочего агента соответствующим сорбентом, а затем выделении (десорбции) рабочего агента из сорбента. Сорбционные установки подразделяются на абсорбционные и адсорбционные. В первых процесс сорбции осуществляется во всем объеме абсорбента (на границе жидкой и паровой фаз); во вторых – на поверхности адсорбента, находящегося, как правило, в твердой фазе (лед).

Термоэлектрические установки основаны на эффекте Пельтье, заключающемся в том, что если через разнородные и соединенные друг с другом металлы пропустить постоянный ток, то при направлении его от положительного проводника к отрицательному в месте контакта (спая) происходит выделение теплоты, а при обратном направлении – поглощение теплоты.

Из отмеченных типов тепловых насосов для ТС в настоящее время находят применение в основном парокомпрессионные.

Низкокипящая жидкость (рабочий агент) с параметрами и поступает в испаритель 1, где происходит ее испарение за счет отбираемой теплоты среды Q (темп-ра среды немного выше ). Образующийся насыщенный пар сжимается компрессором 3 до давления , которому соответствует более высокая темп-ра конденсации . После этого пар поступает в конденсатор 4, где, конденсируясь, отдает теплоту потребителю (воде систем отопления). Для повторения цикла заново осуществляется дросселирование конденсата от давления до в дросселе 5, при этом снижается и его темп-ра с до . Таким образом, в тепловом насосе используются два источника энергии: низкотемпературная теплота среды Q и дополнительно механическая или электрическая энергия для привода компрессора.

Эффективность работы теплового насоса оценивается обычно коэффициентом преобразования , который представляет собой отношение полезно передаваемой потребителям теплоты к затрачиваемой дополнительно энергии (в компрессоре):

.

Коэффициент преобразования всегда больше единицы, так как , где q – отбираемая низкотемпературная теплота среды. В современных тепловых насосах значения колеблются от 2 до 5.

В качестве рабочего агента в компрессионных тепловых насосах используются в основном фреоны и наиболее широко «Фреон-12», который обладает самой высокой объемной теплопроизводительностью. К недостаткам «Фреона-12» относится низкая темп-ра конденсации (около 65°С). Для получения более высоких темп-р могут применяться «Фреон-113» и 114, темп-ра насыщения которых составляет соответственно 127 и 170°С, и каскадные схемы.

Источниками низкотемпературной теплоты для тепловых насосов могут являться естественная теплота, содержащаяся в наружном воздухе, поверхностных и подземных водах, грунте и др. При этом чем больше темп-ра источника теплоты, тем выше коэффициент преобразования тепловых насосов, т. е. их энергетическая эффективность, и тем ниже капитальные затраты на оборудование.