Джерела теплоти теплових насосів. Повітря як джерело теплоти.Типова повітряно-повітряний тепловий насос показан на рисунку 2

Повітря як джерело теплоти. Типова повітряно-повітряний тепловий насос показан на рисунку 2. Зовнішнє повітря проганяється через оребрені трубки випаровувача, усередині яких циркулює робоче тіло. Таким чином, теплота відводиться від конденсатора до повітря приміщення, що опалюється. У міру зниження температури навколишнього середовища необхідна кількість теплоти для опалення підвищується, але здатність теплового насоса підтримувати навіть постійну теплову потужність знижується. Для усунення цього недоліку застосовують додаткові нагрівачі — електричні або на органічному паливі. Розміщують випаровувач у місцях, де температура повітря підігрівається сонячним випромінюванням, наприклад під покрівлею на горищі будинку.

1 — зовнішнє повітря; 2 — випаровувач; З — двигун вентилятора; 4 — викиди охолодженого повітря; 5 — вентилятор зовнішнього повітря; 6—конденсатор; 7—холодне повітря з приміщення; 8— регулятор витрат; 9 — двигун вентилятора; 10—нагріте повітря в приміщенні; 11 — вентилятор внутрішнього повітря; 12-зворотні клапани; 13— капіляри; 14—розподільчий клапан; 15 — клапан розвантаження компресора; 16—розподілювач потоку; 17—компресор.

Рисунок 2 – Схема теплового насоса типу повітря – повітря

Вода як джерело теплоти. Артезіанська вода має майже однакову температуру, приблизно від 10°С у північних областях до 15°С поблизу екватора.

Ґрунтові води, температура яких протягом року складає 8-10°С, мають сприятливі властивості для використання в теплових насосах без підготовчих процесів. Інфільтрація охолодженої води здійснюється в тому випадку, коли ґрунтова вода не може бути використана для технологічних потреб. Водопідйомні та інфільтраційні колодязі повинні бути розташовані один від одного не менше ніж на 15 м.

Вода відкритих водоймищ, таких, як озера, моря та ріки, також може служити джерелом теплоти. При її використанні, як і у випадку з повітрям, трапляються труднощі взимку: Вода надходить з температурою 4-7°С. Щоб вона не замерзала, її не слід охолоджувати до 1-2°С.

Слабо нагріта вода як джерело теплоти — найбільш привабливе джерело. Тому викидна вода в побуті сільських і міських будинків (ванни, душі посудомийні і пральні машини) може використовуватись як джерело теплоти теплових насосів.

У сільськогосподарському виробництві в якості джерела теплоти можна використовувати: теплоту викидного повітря, рідкого гною, молока.

Ґрунт як джерело теплоти. У США значна частина теплових насосів використовують ґрунт як джерело тепла. На рисунку 3 показані ізоплети температури ґрунту, характерні для України залежно від глибини і періоду року. Як видно з рисунку, при закладці теплообмінника на глибину більше 1 м можна вилучати теплоту із ґрунту. При цьому треба мати на увазі, що необхідна для випаровувача теплового насоса площа поверхні землі в багато раз перевищує опалювальну площу.

Рисунок 3 – Ізоплети температур ґрунту в залежності від глибини і періоду року (для району Києва)

Зі збільшенням глибини прокладки труб мінімум використання теплового потоку зміщується за часом до моменту, при якому починається зростання температури зовнішнього повітря. Таким чином, можна використовувати як джерела: тепло землі — зовнішнє повітря. Додаткове акумулювання теплоти у ґрунті можливе, якщо теплообмінник служить улітку для відводу теплоти у ґрунт.

Теплообмінники у ґрунті, закладені за схемою (рисунок 4), складаються із систем труб у вигляді горизонтально прокладених змійовиків, по яких пропускається теплоносій (вода, антифриз, розсіл). Теплоносій віддає тепло холодоагенту у спеціальному теплообміннику. Середня температура розсолу взимку складає -3°С.

1 — подача; 2 — зворотна лінія.

Рисунок 4 – Схема прокладання ґрунтового теплообмінника

Зі збільшенням вмісту вологи у ґрунті і підвищенню завдяки цьому теплопровідності і кращому контакту із трубами питомий тепловий потік зростає. Теплопровідність сухого ґрунту залежно від щільності і хімічного складу коливається в межах 0,14-0,52 Вт/(м. К), вологого — 0,8-2,5 Вт/(мК). Матеріалом труб служить корозійностійкий поліетилен (ТГЛ2І58І) або нержавіюча сталь.

За датськими дослідженнями, при закладці теплообмінника на глибину 1,5 м при кроці розміщення труб у 2 м погонний тепловий потік до випаровувача з ґрунту складає 20-25 Вт/м.

Німецькі дослідження показують наступні оптимальні параметри: діаметр труб 20-25 мм, відстань між трубами 0,5-1,8 м, глибина закладки 0,5-3 м (залежно від властивостей ґрунту), питоме теплонадходження 6-45 Вт/м² поверхні ґрунту, довжина труб кожної вітки 100 м, температура теплоносія 0-5°С при AT = 5°С.

Продуктивність теплового насоса знижується на 5% на кожний градус зниження температури випаровувача.

Сонячні колектори і абсорбери як джерела теплоти.

Колектори і абсорбери прямо перетворюють сонячну енергію в термічну, підігріваючи теплоносій, який віддає теплоту випаровувачу. Віддаючи тепло у випаровувач при температурі більш високій, ніж навколишнє повітря, ґрунт або вода, сонячні колектори підвищують ККД теплового насоса. У більшості випадків для стабілізації теплової потужності теплового насоса доцільно тепло від сонячного колектора подавати в рідинний тепловий акумулятор, куди занурені трубки випаровувача. Тепловий акумулятор дає енергію на випаровування, коли навколишня температура низька для випаровувача і може виконувати і функцію гарячого водопостачання.

Обмеження в застосуванні сонячних колекторів накладаються їх вартістю.

У літературних джерелах і проектах фірм енергетичну ефективність колекторів оцінюють за величиною відношення корисної потужності до інтенсивності сонячного випромінювання. При виборі продуктивності колектора коефіцієнт енергетичної ефективності слід оцінювати, виходячи з режиму експлуатації та кліматичних умов — інтенсивності сонячної радіації і різниці температур теплообмінника (абсорбера) і навколишнього середовища.

При виборі сонячних колекторів поряд з їх термодинамічними властивостями вирішальне значення має розмір капіталовкладень.

Сонячні колектори застосовуються також разом із ґрунтовими теплообмінниками (рисунок 5). На рисунку 6 наведені результати розрахунків (для умов США), які показують співвідношення між енергоспоживанням компресора і площею ґрунтового і сонячного колекторів при річному виробітку тепла 12,26 МВт • год. Для покриття 1 кВт витрат приміщення, що опалюється, потрібно більше 3 м² площі сонячного колектора. При сонячному колекторі площею 30 м² із ґрунтовим теплообмінником 100 м² КОП теплового насосу складає 3,4. А при відсутності сонячного колектора і площі ґрунтового теплообмінника 300 м² КОП = 2,7.

1 — сонячний колектор; 2 — труби у ґрунті; 3 — теплова помпа; 4 — бак; 5 — приміщення, що опалюється.

Рисунок 5 – Схема теплового насоса з одночасним використанням теплоти ґрунту і Сонця

Рисунок 6 – Залежність електроспоживання компресора і циркуляційного насоса від площі ґрунтового F і сонячного S колекторів

Сонячний колектор являє собою зачорнений теплообмінник (абсорбер), ізольований знизу і з боків, а зверху покритий одним або двома шарами скла. Якщо теплообмінник зачорнити з усіх боків, не застосовуючи ізоляції і засклення, то отримаємо сонячний абсорбер, значно дешевший від колектора, який, незважаючи на невеликий коефіцієнт енергетичної ефективності, успішно застосовується як джерело тепла. Важливою характеристикою абсорбера з огляду корисно знятої з нього енергії є коефіцієнт теплопередачі від навколишнього середовища до корпуса абсорбера. Якщо коефіцієнт теплопередачі сонячного колектора при одношаровому заскленні складає 5-8 Вт/(м² К), то в абсорбері він значно більший. Збільшує його величину, а значить, і ефективність використання абсорбера, роса та іній, що випали на корпусі. При цьому коефіцієнт теплопередачі складає 25-34 Вт/(м² • К). Якщо сонячний абсорбер не входить до складу огороджувальної конструкції покриття, тобто ізоляція його зворотної сторони не потрібна, то коефіцієнт теплопередачі практично подвоюється. За даними німецьких вчених, приріст енергії абсорбера за рахунок випромінювання складає 20%.

Недолік абсорбера полягає в тому, що влітку виникають значні коливання температури випаровування у випаровувачі теплового насоса.

Сонячні абсорбери конкурують як із сонячними колекторами, так і з повітряними теплообмінниками із примусовою циркуляцією повітря. Перевага теплонасосних установок із сонячними абсорберами порівняно з такими ж установками із сонячними колекторами полягає у значно менших капіталовкладеннях, значно більшій кількості годин роботи з повним навантаженням. До недоліків належить дещо знижене значення КОП теплового насоса.