База знаний в области технологий и систем использования низкотемпературных и возобновляемых источников энергии
вернуться в начало
| скачать Введение Т  еплоснабжение в условиях России с ее продолжительными и достаточно суровыми зимами требует весьма больших затрат топлива, которые превосходят почти в 2 раза затраты на электроснабжение. Основными недостатками традиционных источников теплоснабжения являются низкая энергетическая (особенно на малых котельных), экономическая и экологическая эффективность (традиционное теплоснабжение является одним из основных источников загрязнения крупных городов). Кроме того, высокие транспортные тарифы на доставку энергоносителей усугубляют негативные факторы, присущие традиционному теплоснабжению. Нельзя не учитывать и такой серьезный термодинамический недостаток, как низкий эксергетический КПД использования химической энергии топлива для систем теплоснабжения, который в системах отопления составляет 6-10%. Чрезвычайно велики затраты на тепловые сети, которые являются, вероятно, самым ненадежным элементом в системах централизованного теплоснабжения. Удельная аварийность для трубопроводов диаметром 1400 мм составляет одну аварию в год на l км длины, а для труб меньшего диаметра - около шести аварий. Если учесть, что общая протяженность тепловых сетей в России доставляет 650 тыс. км, а в полной замене нуждаются 300 тыс. км, становится очевидно, что строительство и поддержание тепловых сетей в рабочем состоянии требуют затрат, соизмеримых со стоимостью ТЭЦ или районных котельных. Все перечисленные негативные факторы традиционного теплоснабжения настоятельно требуют интенсивного использования нетрадиционных методов. Одним из таких методов является полезное использование рассеянного низкотемпературного (5-30° C) природного тепла или сбросного промышленного тепла для теплоснабжения с помощью тепловых насосов. Тепловые насосы в силу того, что они избавлены от большинства перечисленных недостатков централизованного теплоснабжения, нашли широкое применение за рубежом, если в 1980 г. в США работало около 3 млн. теплонасосных установок, в Японии 0,5 млн., в Западной Европе 0,15 млн., то в 1993 г. общее количество работающих теплонасосных установок (ТНУ) в развитых странах превысило 12 млн., а ежегодный выпуск составляет более 1 млн. Массовое производство тепловых насосов налажено практически во всех развитых странах. По прогнозу Мирового энергетического комитета к 2020 г. в передовых странах доля отопления и горячего водоснабжения с помощью тепловых насосов составит 75 % [185]. ^ Обозначения величин с - теплоемкость, кДж/(кг? К); d - влагосодержание водяных паров воздуха, кг/кг; G - массовый расход, кг/с; H - теплоперепад, Дж/кг, кДж/кг; h - энтальпия, Дж/кг, кДж/кг; р - давление, Па, кПа; n - частота вращения, 1/c; N - мощность, Вт, кВт, Мвт; q - удельный расход теплоты, Дж/Дж, кДж/кДж; Q - количество теплоты, Вт, кВт, Мвт; s - энтропия, Дж/(кг? К), Дж/(кг? К); t - температура, ° С; T - температура, К; v - удельный объем, м3/кг; х - степень сухости пара; h - КПД; h м - механический КПД; p - степень повышения ( понижения) давления; s - коэффициент сохранения давления. Индексы в - воздух; вд - вода; вл - влажный; вн - внутренний; к - конечный; конд - конденсация; п - пар; см - смесь; ср - средний; сух - сухой; р - расчетный; s - насыщение; i - внутренний; 0 - начальный; расчетный; номинальный; ж - жидкость. Сокращения КПД - коэффициент полезного действия; ТНУ - тепловая насосная установка. ^ П  ринцип работы теплового насоса Классификация тепловых насосв Термодинамические циклы тепловых насосов Работчие тела, используемые в тепловых насосах Исследование рабочих циклов тепловых насосов в системе DVIGT Выводы Список использованных источников  ^ Принцип работы теплового насоса вытекает из работ Карно и описания цикла Карно, опубликованного в его диссертации в 1824 г. Практическую теплонасосную систему предложил Вильям Томсон ( лорд Кельвин ) в 1852 г. Она была названа умножитель тепла и показывала, как можно холодильную машину эффективно использовать для целей отопления. В обосновании своего предложения, уже тогда, Томсон указывал, что ограниченность энергетических ресурсов не позволит непрерывно сжигать топливо в печах для отопления и что его умножитель тепла будет потреблять меньше топлива, чем обычные печи. Предложенный Томсоном тепловой насос ( ТН ) использовал воздух в качестве рабочего тела. Окружающий воздух засасывался в цилиндр, расширялся охлаждаясь от этого, а затем проходил теплообменник, где нагревался наружным воздухом. После сжатия до атмосферного давления воздух из цилиндра поступает в обогреваемое помещение, будучи нагретым до температуры выше окружающей. Фактически подобная машина была реализована в Швейцарии. Томсон заявил, что его ТН способен давать необходимое тепло при использовании только 3% энергии, затрачиваемой на отопление. Дальнейшее своё развитие теплонасосные установки получили только в 20-х и 30-х годах 20 века, когда в Англии была создана первая установка предназначенная для отопления и горячего водоснабжения с использованием тепла окружающего воздуха. После этого начались работы в США, приведшие к созданию нескольких демонстрационных установок. Первая крупная теплонасосная установка в Европе была введена в действие Цюрихе в 1938-1939 гг. В ней использовались тепло речной воды, ротационный компрессор и хладогент. Она обеспечивала отопление ратуши водой с температурой 60 С при мощности 175 кВт. Имелась система аккумулирования тепла с электронагревателем для покрытия пиковой нагрузки. В летние месяцы установка работала на охлаждение. В период с 1939 по 1945 года было создано ещё 9 подобных установок, с целью сокращения потребления угля в стране. Некоторые из них успешно проработали более 30 лет. Итак, в 1824 г. Карно впервые использовал термодинамический цикл для описания процесса, и этот цикл остаётся фундаментальной основой для сравнения с ним и оценки эффективности ТН. Тепловой насос можно рассматривать как обращённую тепловую машину. Тепловая машина получает тепло (рис. 1.1.1) от высокотемпературного источника и сбрасывает его при низкой температуре, отдавая полезную работу. Тепловой насос требует затраты работы для получения тепла при низкой температуре и отдачи его при более высокой. Рис. 1.1.1. Термодинамическая схема теплового насоса и теплового двигателя. 1 -тепловой насос; 2 - тепловой двигатель. Можно показать, что если обе эти машины обратимы (т. е. термодинамические процессы не содержат потерь тепла или работы ), то существует конечный предел эффективности каждой из них, и в обоих случаях это есть отношение Qн/W. Если бы это было не так то можно было бы построить вечный двигатель просто соединив одну машину с другой. Только в случае тепловой машины это отношение записывается в виде W/Qн и называется термическим КПД, а для теплового насоса оно остаётся в виде Qн/W и называется коэффициентом преобразования теплоты (Кт). Если считать, что тепло изотермически подводится при температуре TL и изотермически отводится при температуре TH, а сжатие и расширение производятся при постоянной энтропии (рис. 1.1.2), работа подводится от внешнего двигателя, то коэффициент преобразования для цикла Карно будет иметь вид: Кт = TL /( TН - TL ) + 1 = TН / ( TН - TL )  рис. 1.1.2 Таким образом никакой тепловой насос не может иметь лучшей характеристики, и все практические циклы лишь реализуют стремление максимально приблизится к этому пределу. ^ В настоящее время создано и эксплуатируется большое число тепловых насосных установок, отличающихся по тепловым схемам, рабочим телам и по используемому оборудованию. По обозначению различных классов установок, в известных нам литературных источниках, нет единого установившегося мнения, встречаются различные обозначения и термины. В связи с этим важное значение приобретает классификация установок, позволяющая проводить рассмотрение их свойств в соответствии с той или иной группой. Все типы тепловых насосных установок можно классифицировать по ряду сходных признаков. Каждый из них отражает только одну характерную особенность установки, поэтому в определении теплонасосной установки может быть два и более признака. Классификацию теплонасосных установок следует осуществлять прежде всего по циклам их работы. Можно выделить несколько основных типов тепловых насосов: - воздушно-компрессорные тепловые насосы; - тепловые насосы с механической компрессией пара (парокомпрессионный цикл); - абсорбционные тепловые насосы; - тепловые насосы основанные на использовании эффекта Ранка; - тепловые насосы основанные на использовании двойного цикла Ренкина; - тепловые насосы, работающие по циклу Стирлинга; - тепловые насосы, работающие по циклу Брайтона; - термоэлектрические тепловые насосы. - обращённый топливный элемент; - тепловые насосы с использованием теплоты плавления; - тепловые насосы с использованием механохимического эффекта; - тепловые насосы с использованием магнетокалорического эффекта. Все тепловые насосы по принципу взаимодействия рабочих тел можно объединить в две основные группы: 1) открытого цикла, в которых рабочее тело забирается и отдается во внешнюю среду; 2) замкнутого цикла, в которых рабочее тело движется по замкнутому контуру, взаимодействуя с источником и потребителем теплоты лишь посредством теплообмена в аппаратах поверхностного типа. Различают одно- и двухступенчатые и каскадные ТНУ, а также ТНУ с последовательным соединением по нагреваемому и охлаждаемому теплоносителям с противоточным их движением. ^ стационарные и передвижные, для аккумулирования тепловой энергии и ее транспорта и утилизации сбросного тепла. По производительности: крупные, средние, мелкие. По температурному режиму: высокотемпературные, среднетемпературные и низкотемпературные. ^ стационарные, нестационарные, непрерывные или цикличные, нестационарные с аккумулятором тепловой энергии. По виду холодильного агента: воздушные, аммиачные, фреоновые, на смесях холодильных агентов. ^ с приводом от электродвигателя или газовой турбины или от газовой турбины, работающие на вторичных энергоресурсах и др. ^ Достижения компьютерной технологии анализа и синтеза сложных технических объектов обуславливают потребность разработки универсальных средств формирования математических моделей ТНУ, гибко реализующих любые возможные схемы и программы регулирования. К основным требованием для генерирования таких моделей относятся:
В данном разделе представлено описание универсальной диалоговой системы формирования математической модели ТНУ произвольных схем DVIGT, обеспечивающей параметрический и структурный анализ работы ТНУ произвольной схемы на этапах, предшествующих непосредственному процессу проектирования. Основой для формирования математических моделей ТНУ в подсистеме DVIGT является принцип встроенных циклов, позволяющий реализовать физическое толкование и универсальность процесса формирования моделей. Предметной основой подсистемы DVIGT служат: исходные модули, описывающие элементарные процессы в различных элементах установки в единых требованиях, обеспечивающих простоту их совместной работы; условия совместной работы этих модулей; универсальные алгоритмы задания произвольных программ регулирования, зависящих от внешних условий. Структура предметной области системы DVIGT состоит из шести уровней: первый уровень - исходные модули, описывающие элементарные процедуры расчета (параметры рабочего тела произвольного состава, газодинамические и термодинамические функции, коэффициенты потерь и т.д.). Модули первого уровня автономны, т.е. не содержат обращений к другим модулям; второй уровень - модули, описывающие типовые термогазодинамические процессы (торможение потока, сжатие, расширение, подвод тепла, теплообмен, дросселирование и т.д.). "Работа" модулей второго уровня осуществляется обращением к модулям первого уровня; третий уровень - модули, описывающие работу основных узлов установки (входного устройства, компрессора испарителя, конденсатора и т.д.). Функционирование этих модулей предполагает обращение к модулям первого и второго уровней; четвертый уровень-компоновка модулей третьего уровня, синтезирующая двигатели переменного рабочего цикла, энергоустановки, тепловые насосные установки произвольных схем; пятый уровень - модули, формирующие типовые задачи термодинамического анализа и синтеза (завязка, расчет характеристик, определение размерности и т.д.); шестой уровень - модули, формализующие проектные процедуры (идентификация, параметрический анализ, структурный анализ и т.д.) Исходные модули, например модули третьего уровня, математически описывают физические процессы, протекающие в простейших элементах проточной части установки (для газотурбинного двигателя это - входное устройство, камера сгорания, компрессор, турбина и реактивное сопло). Они имеют единый вход и выход, не зависящий от предметного содержания модуля; G1, T*1, p*1, qт1-входные параметры модуля (qт - состав рабочего тела, G-количество рабочего тела, T*-температура рабочего тела, p*-давление рабочего тела); G2,T*2, p*2, qт2-выходные параметры модуля. Универсальные принципы синтеза моделей из этих модулей базируются на условиях:
Программы регулирования описываются унифицированным алгоритмом, реализующим заданную программу путем формирования системы управляемых невязок. В соответствии с названными исходными позициями алгоритм формирования математической модели установки с переменным рабочим циклом будет состоять из следующих основных этапов:
Такой алгоритм построения математической модели установки позволяет достаточно сложный процесс синтеза модели с переменным рабочим циклом из типовых элементарных модулей формализовать простым и доступным способом для пользователей, не имеющих квалификации профессионального программиста. Модель установки произвольной схемы формируется из исходных модулей в последовательности, отображающей структуру конкретной схемы установки. Подсистема DVIGT предназначена для структурного и параметрического экспресс-анализа на этапе предпроектных исследований и может решать следующие задачи в типовых проектных процедурах :
В качестве примера ниже приведена схема теплового насоса парокомпрессионного цикла:  Рис. 2.1.2 где: 1 - дроссель; 2 - испаритель; 3 - компрессор; 4 - конденсатор. И формализованная схема этого же теплового насоса в системе DVIGT  Рис. 2.1.3 Термодинамический анализ теплового насоса проводится по действительному циклу (с потерями), а на основе анализа существующих конструкций с известными параметрами узлов проводится сравнение и делаются выводы о степени влияния и целесообразности использования того или иного параметра. Поток рабочего тела - хладоагента (напр. Фреона), задается следующими параметрами: р - давление рабочего тела, кПа; t - температура рабочего тела, С; G - расход рабочего тела , кг/с; Х - степень сухости, имеет определенный цвет на экране и характерен только для данного типа информационного потока. Модуль - “Дроссель” (расширитель, детандер) задан следующими входными параметрами: д - степень дросселирвания; д - КПД дросселирования; и выходными параметрами: р - давление на выходе из дросселя, кПа; t - температура на выходе, С; G - расход рабочего тела в дросселе, кг/с; Х - степень сухости рабочего тела на выходе из дросселя. Модуль-“Испаритель” (или теплообменник) задан входными параметрами: Kисп – коэффициент общих потерь тепла в испарителе; N - номер испарителя в многокаскадных схемах(1,2,3,..,N), и выходными параметрами: р - давление на выходе из испарителя, кПа; t - температура на выходе испарителя, С; G - расход рабочего тела в испарителя, кг/с; Qu - количество тепла которое можно принять от теплоносителя (напр. воды), кВт. Модуль - “Компрессор” задан следующими входными параметрами: к - степень повышения давления; к - КПД компрессора; и выходными параметрами: р - давление на выходе из компрессора, кПа; t - температура на выходе из компрессора, С; G - расход рабочего тела в компрессоре, кг/с; Nк - мощность компрессора, кВт; Кт - коэффициент преобразования теплоты теплового насоса. Модуль – “Конденсатор” (или теплообменник) задан входными параметрами: Кконд – коэффициент общих потерь тепла в конденсаторе; N - номер конденсатора в многокаскадных схемах(1,2,3,..,N), и выходными параметрами: р - давление на выходе из конденсатора, кПа; t - температура на выходе из конденсатора, С; G - расход рабочего тела в конденсаторе, кг/с; Qк - количество тепла которое, можно отдать теплоносителю , кВт. Два модуля в модели теплового насоса (рис 2.1.3) - “Вход рабочего тела” и “Выход рабочего тела” служат для задания параметров потока соответственно на входе, т.е. в месте вооброжаемого разрыва в замкнутой схеме и получения параметров на выходе. Здесь рассматривается схема теплового насоса с разрывом в точке на линии насыщения рабочего тела, где параметры характеризующие поток (р, t, G, X) полностью известны. Такой точкой является место соединения конденсатора и дросселя. Таким образом, варьируя значениями входных параметров узла “Вход рабочего тела”, можно исследовать поведение теплового насоса при различных условий работы для широкой номенклатуры холодильных агентов. Задача (например, термодинамический расчет ТНУ- завязка) по такой модели решается в соответствии с алгоритмом, реализующим последовательный расчет по составным модулям при заданных значениях параметров цикла. Для представленной схемы задача "завязки" на заданную выходную мощность сводится к итерационному подбору, например, расхода хладоагента при начальном значении до получения заданных значений переменных ТНУ. Задача расчета характеристик ТНУ решается последовательным расчетом модулей путем подбора регулирующих параметров до получения заданных значений регулируемых параметров. В систему DVIGT встроены следующие численные методы решения систем уравнений: - Метод Ньютона; - Упрощенный метод Ньютона; - Метод вложенных циклов, который подразделяется на следующие методы: - метод бисекций; - метод хорд; - метод Ньютона; - упрощенный метод Ньютона; Основное меню подсистемы DVIGT представляет собой многооконный интерфейс, в котором можно выделить три уровня. Первый уровень образуют блоки функционального назначения (шесть блоков): блок "Архив" используется для работы с каталогом подсистемы ,для записи и хранения сформированных схем; блок "Компоновка" предназначен для визуального формирования и корректировки схемы ТНУ, описания термодинамических и механических связей между узлами, а также верификации и диагностики корректности модели; блок "Данные" реализует функцию параметризации каждого узла в специальных окнах; блок "Расчеты" предназначен для описания программ регулирования и выбора метода расчета при расчете характеристик; блок "Расчеты", так же, осуществляет выполнение задач расчетов ,блок "Результаты" предназначен для визуального и графического вывода результатов расчета. Второй уровень представляет собственно рабочее поле, в котором происходит визуализация схемы ТНУ, параметризация узлов и просмотр результатов расчета. Второй уровень заполняется только в процессе работы в подсистеме. Третий уровень образуют эталонные модули , из которых формируется схема ТНУ. Основными объектами модели и языка являются модули узлов ТНУ, соединенные между собой при помощи газодинамических и механических связей. Модули реализуют единственную функцию (сжатие, подвод тепла, смешение и т.д.); имеют единый вход и выход; возвращают управление той программе (модулю), которая их вызвала; имеют возможность обращаться к другим модулям (расчет газодинамических функций, теплоемкости и т.д.); не сохраняют историю своих вызовов. Работа с подсистемой DVIGT ориентирована на диалоговое взаимодействие с ПЭВМ. Развитые средства верификации и оперативной диагностики позволяют выявить значительное количество ошибок проектировщика на возможно более раннем этапе работы. Выбор любой из функций подсистемы осуществляется на базе вложенных меню, причем по любому разделу меню возможно получение оперативной справочной информации. ^ Грунтовые теплообменники в вертикальных скважинах в последние 10-15 лет широко применяются в качестве низкотемпературного источника тепла для систем отопления и горячего водоснабжения с использованием тепловых насосов. Этот экологически чистый источник тепла достаточно часто используется, например, в Швейцарии, где в настоящее время эксплуатируется около четырех тысяч таких установок. Алтайским региональным центром нетрадиционной энергетики и энергосбережения были проведены исследования вопросов взаимного влияния вертикального грунтового теплообменника и теплового насоса [186]. За основу была взята автоматизированная теплонасосная установка АТНУ-10 (рабочая жидкость - R22), разработанная АК "ИНСОЛАР" в рамках Государственной научно-технической программы России "Экологически чистая энергетика" и выпускаемая предприятием "ЭКОМАШ" (г. Саратов). В систему также включен вертикальный грунтовой теплообменник в скважине глубиной не более 100 м (как показали гидрогеологические исследования, 67% населения Алтайского края проживает на территории где глубина залегания первого водоносного горизонта меньше 30 м). Базовая температура грунта принята равной 280 К, что соответствует средней оценке температур на глубине более 5 м для условий Алтайского края. Автоматизированная система управления теплового насоса типа АТНУ рассчитана таким образом, чтобы он работал при оптимальных условиях с постоянным значением теплового потока, определяемым тепловым потоком от первичного теплоисточника, входной температурой высокотемпературного контура и массовой скоростью теплоносителя высокотемпературного контура. При снижении требуемой тепловой нагрузки должно происходить отключение теплового насоса до восстановления заданной температуры. Если мощность грунтового теплообменника недостаточна для покрытия теплопотерь в высокотемпературном контуре, должен включаться пиковый доводчик. Результаты, показали, что извлекаемая из грунта тепловая энергия линейно зависит от логарифма рабочей длины теплообменника. При этих условиях (фильтрационная скорость 10 м/сут) для получения из грунта 5-6 кВт тепловой мощности необходимая глубина теплообменника составит 50-60 м. Конструктивные особенности АТНУ требуют определенных условий для расхода теплоносителя высокотемпературного контура. Минимальный расход теплоносителя в контуре отопления должен составлять 0,3 кг/с (1 м*/ч). При меньших объемах в системе начнется накопление тепла и, как показали испытания на натурной установке, это приведет к повышению температуры и давления хладона, ухудшению работы испарителя и уменьшению съема тепла в грунтовом теплообменнике. И хотя при этом температура теплоносителя высокотемпературного контура повышается, эффективность работы всей схемы, определяемая отопительным коэффициентом, падает. Большой интерес к использованию грунта в качестве источника тепла проявляется в Европе. Конструкция испарителя предлагается [1] в форме серпантина из трубок диаметром около 25 мм, уложенных на постоянной глубине на площади в несколько сотен квадратных метров. С целью уменьшения капитальных затрат трубки располагаются как можно ближе к поверхности. Изучение грунта как источника тепла, поведённое в Европе показало, что тепловой поток к испарителю из грунта составляет 20-25 Вт/м, минимальное значение для Европы составляет 10 Вт/м, максимальное 50-60 Вт/м. Оптимальная глубина и шаг размещения трубок составляют соответственно 1,5 и 2 м. В некоторых случаях из-за взаимного влияния предел 2 м расширяется. Трубки можно размещать на меньшей глубине, но при этом производительность теплового насоса может снижаться на 5% на каждый градус понижения температуры испарителя. Помимо варианта испарения непосредственно хладоагента можно использовать промежуточный теплоноситель - рассол, циркулирующий по трубкам в грунте и отдающий тепло хладоагенту в специальном теплообменнике. Средняя температура рассола зимой составляет -3° С. Если содержание воды в почве велико, показатели повышаются благодаря увеличению теплопроводности и хорошему контакту с трубками. Большая концентрация в почве гравия вызывает ухудшение характеристик. В Дании рассмотрена возможность применения не горизонтальных, а вертикальных трубок, которые можно использовать в режиме не только нагрева, но и охлаждения здания летом, когда применяется реверсивный тепловой насос [1]. Была обнаружена и такая интересная деталь. Минимум температуры грунта всегда выше, чем воздуха, и достигается двумя месяцами позднее, когда требуемая мощность отопления снижается. Вертикальные трубки занимают меньше места и позволяют в некотором смысле использовать тепло, аккумулированное в летние месяцы, что дает им экономические преимущества. Исследования вертикальных U-образных трубок показали [1] возможность значительного извлечения тепла. Горизонтальный испаритель с площади 150-200 м позволяет получить 12 кВт тепла. U-образные трубки, размещенные в скважинах диаметром 127 мм и глубиной 8 м, позволили получить 12 кВт только из двух скважин. Отсюда видно, что U-образные трубки снижают требуемую поверхность грунта в 10-20 раз по сравнению с горизонтальными. Несмотря на сравнительную дешевизну отечественных тепловых насосов по сравнению с зарубежными при современном слабом финансовом положении предприятий, внедрение тепловых насосов встречает определенные трудности.Не последнюю роль играет большая новизна и непривычность этой техники для наших потребителей. Эти проблемы преодолевались за рубежом путем предоставления в течение нескольких лет льгот предприятиям, внедряющим теплонасосные установки. В большинстве стран Западной Европы на прибыль, получаемую от применения тепловых насосов, устанавливался меньший налог, а в некоторых странах делались прямые финансовые дотации. Так, в Австрии фирмам, использующим тепловые насосы, установлена финансовая дотация до 100 тыс. шиллингов, а ФРГ в начале 90-х годов таким фирмам предоставлялось право на налоговую скидку, доходящую до 7,5 % капитальных затрат (при условии их капитализации), что равноценно финансовой дотации в размере до 20 % затрат на теплонасосные установки. В итоге в Австрии сейчас работает l05 тыс. ТНС, дающих ежегодную экономию 116 тыс. т мазута. Кроме использования тепла грунта наиболее привлекательным для использования в домашних приложениях теплового насоса является “бесплатный” источник тепла для создания комфортных условий внутри дома - воздух. Он общедоступен и привлек наибольшее внимание в массовом производстве. В тех случаях, когда доступна вода, она имеет несколько преимуществ по сравнению с воздухом. Активно исследуется использование сбросного тепла или солнечных коллекторов, к которым проявляется интерес и в Европе и в Америке. Наибольшее распространение получили тепловые насосы с воздухом в качестве источника тепла с самого начала их применения в домашних условиях. В основном воздух же является и тепловым стоком. Как источник тепла воздух обладает рядом недостатков, поэтому требуется тщательная оптимизация конструкции в зависимости от места установки, где температура воздуха может быть существенно различной. Характеристики теплового насоса и в особенности КОП уменьшаются по мере увеличения разности температур испарителя и конденсатора. Это оказывает особенно неблагоприятное влияние нa тепловые насосы с воздушным источником тепла. По мере снижения температуры окружающего воздуха требуемое количество тепла для отопления повышается, но способность теплового насоса поддерживать даже постоянную тепловую мощность существенное снижается. Для преодоления этого недостатка часто применяется дополнительный нагрев. Для условий Англии и большинства стран Европы стоимость теплового насоса с любым источником тепла заметно выше, чем обычной центральной котельной [1]. Чем большую долю покрывает тепловой насос в домашней тепловой нагрузке, тем выше разница в капиталовложениях, поэтому тепловые насосы, как правило, рассчитываются лишь на часть годовой тепловой нагрузки, а оставшуюся часть дает дополнительный нагреватель, чаше всего электрический (в США) и на органическом топливе (в Европе). Выбор между ними определяется соотношением капитальных и эксплуатационных затрат. Если тепловой насос обеспечивает и воздушное кондиционирование летом, его размеры и мощность могут диктоваться именно этим применением. Дополнительный нагрев требуется, когда температура окружающего воздуха упадет ниже нуля, при этом тепловые потери здания превосходят тепловую мощность насоса. Для повышения экономической эффективности системы включение дополнительного нагревателя, в данном случае электрического, рекомендуется только тогда, когда тепловой насос не может покрыть полную нагрузку. Все источники тепла для тепловых насосов в той или иной мере подвержены влиянию солнечной энергии, но её можно использовать и непосредственно с помощью солнечных коллекторов с циркуляцией теплоносителя, подогрева воздуха, входящего в испаритель с помощью солнечных концентраторов. Хотя солнечные концентраторы, по-видимому, более пригодны для абсорбционных тепловых насосов. Они еще мало применяются вдомашних условиях, но служат предметом значительной исследовательской работы. Для подогрева генератора в абсорбционном цикле требуются более высокие температуры, чем достижимые обычными плоскими коллекторами. Однако применение абсорбционного цикла для кондиционирования допускает нагрев от плоских коллекторов, поскольку здесь должна быть температура ниже и, потому охлаждение воздуха проводится летом, как раз тогда, когда солнечная радиация интенсивна и температура коллектора повышена. Вместе с другими источниками тепла для тепловых насосов широко применяют плоские коллекторы, размещенные на крышах. Вообще солнечные коллекторы интенсивно изучаются дляприменения не только с тепловыми насосами, но и самостоятельно, а также в схемах с аккумуляторами тепла. Последние представляют интерес и для тепловых насосов как источник тепла в облачные дни или ночью. Давая тепло в испаритель при температуре более высокой, чем окружающий воздух, грунт или вода, солнечные коллекторы повышают КОП теплового насоса. Обычно промежуточный теплоноситель - вода передает тепло от коллектора к испарителю. Но может быть и полное совмещение коллектора с испарителем, где хладоагент испаряется непосредственно внутри трубок солнечного коллектора. Часто тепло от солнечного коллектора подается в жидкостный тепловой аккумулятор, куда погружены трубки испарителя. Тепловой аккумулятор играет существенную роль в любой солнечной теплонасосной системе. В доме фирмы Филлипс, например, солнечный коллектор (20м2) собирает в год 36-44 ГДж тепла (при среднем КПД 50%), сохраняемого в баке 40м3 при температуре до 95° С [1]. Была предложена схема дома с минимальным потреблением энергии, использующим три тепловых насоса: один для передачи тепла с повышением температуры от солнечного коллектора к аккумулятору, второй - от аккумулятора к системе отопления и третий - от аккумулятора к системе горячего водоснабжения. Солнечные коллекторы рассматривают также в сочетании с грунтовыми. [1] Установлено, что размеры солнечного коллектора должны быть больше 3 м2 на 1кВт потерь тепла жилищем. При солнечном коллекторе площадью 30м3 с грунтовым испарителем, занимающим только 100 м, достигается КОП=3,4. Если же использовать только грунтовый испаритель, то требуется поверхность 300 м, и при этом получается КОП=2,7. Тем не менее, может оказаться, что несмотря на повышение КОП, экономия топлива может не окупить стоимость установки, особенно солнечного коллектора. Другие работы в этой области показывают, что при тепловой мощности ТНУ 6 кВт требуется поверхность 20м2. Кроме того, ТНУ может использовать тепловые сбросы самого жилья, например, уходящие газы из кухонных печей или вообще из кухни, сбросную воду. В Голландии ТН был применён для домашней сушилки посуды. Тепло выбрасываемого влажного воздуха используется для подогрева сухого, подаваемого в сушилку. Тёплый влажный воздух из сушилки проходит в испаритель ТН и охлаждается. При охлаждении из него выпадает влага, и воздух становится пригодным для рециркуляции. В испарителе используется как явная, так и скрытая теплота уходящего воздуха. Рециркулирующий воздух проходит сквозь конденсатор и нагревается теплотой конденсации. Экономия энергии достигает около 48%. Далее приведены некоторые характеристики ТНУ, широко применяющихся за рубежом. Характеристики ТН-установки “Carrier” (США) - простой реверсивный тепловой насос воздух-воздух [1]. Табл. 2.1.2.
Характеристики ТН фирмы “Lennox”, комбинируются с огневой системой отопления, что исключает систему дополнительного нагрева [1]. Табл. 2.1.3.
Тепловые насосы в общественных зданиях Основная задача компрессорного оборудования в общественных зданиях это охлаждение, необходимое либо по климатическим условиям, либо для отвода тепла внутренних источников освещения, оборудования, персонала. Значительной холодильной нагрузки требуют вычислительные центры в служебных зданиях. При этом как правило, не учитывается, что применяемая холодильная установка по природе своей является тепловым насосом. Несмотря на то что тепло, отводимое от конденсатора холодильной установки, имеет относительно низкую температуру, его полезное использование дает существенную экономию энергии. Соотношение между теплотой, отводимой от конденсатора, и потребляемой мощностью и для холодильника и для теплового насоса сильно зависит от разности температур испарения и конденсации. Эта зависимость определяет экономичную температуру воды после конденсатора xoлодильной машины в тех случаях, когда ее тепло полезно используется. Экономически оправданным является уровень температуры 41-42°С. В этом случае мощность, потребляемая компрессором, повышается незначительно по сравнению с чисто холодильным режимом и в то же время появляется возможность не сбрасывать, а полезно использовать теплоту конденсации. Наиболее известная реализация этой концепции - тепло от холодильной машины, охлаждающей воздух в центральной части здания, не выбрасывается, а используется для обогрева комнат по периметру здания, в которых из-за остекления окон и дверей потери тепла повышены [1]. Тепло из центральной части здания поступает с помощью водяной системы охлаждения к испарителю, а далее с помощью хладоагента и компрессора эта энергия передаётся конденсатору. Полезное тепло с помощью сети нагретой воды передаётся в воздушную градирню через специальный конденсатор, часть тепла используется для нагрева воды или технологических целей. В зимний период, когда одновременно требуется и охлаждение и нагрев, часть конденсатора работает на отопление, избыток тепла сбрасывается в градирне. Подобная схема кондиционирования-отопления называется централизованной, с использованием одного большого холодильника (теплового насоса) и комнатных теплообменников. Может применятся и децентрализованная - с индивидуальными тепловыми насосами во всём здании непосредственно в местах кондиционирования. В последнем случае они подключаются к неохлаждаемой центральной водяной системе, в которой с помощью дополнительного водонагревателя и градирни температура поддерживается в интервале 15-32° С. Каждая кондиционная установка содержит полную холодильно-теплонасосную схему с вентилятором для циркуляции комнатного воздуха, подключённую к водяной системе. Вода служит тепловым стоком при работе в холодильном режиме и источником тепла в режиме отопления. Дополнительный нагрев требуется только в случае очень холодной погоды, когда большинство установок работает в режиме нагрева. Подача тепла в водяную систему производится от котельной, электрического наружного нагревателя, солнечной энергии или источника сбросного тепла. Потребности в тепле уменьшаются, когда одна или несколько установок должны работать в холодильном режиме. При средних температурах наружного воздуха установки с теневой стороны здания работают на нагрев, с солнечной стороны - на охлаждение. Если примерно 30% установок работают в холодильном режиме, то они дают достаточно тепла в водяную систему, что исключает необходимость для здания получать или отдавать тепло. В зданиях с внутренним тепловыделением от освещения, компьютеров и т. п. и высоким уровнем теплоизоляции,может понадобиться круглогодичное локальное охлаждение. Полученное здесь тепло передается в водяную систему и далее к установкам по периферии здания, которые в зимние месяцы работают на нагрев. Децентрализованные системы можно также использовать в зданиях, где требуется охлаждение днем и нагревание ночью. Если днём температура воды в сети повышается до максимального значения, допустимого для работы холодильных устройств, +32° С, то тепло не сбрасывается в градирни и может служить для обогрева в течение части нагревательного цикла перед включением дополнительного обогрева в любой форме, что необходимо, когда температура воды падает ниже 15°С. Воздушный кондиционер начинает работу утром, когда вода холодна и допускает эффективное охлаждение, а заканчивает в конце дня, когда вода нагрета для эффективного ночного отопления. Наибольшая выгода получается при использовании теплового насоса там, где одновременно требуется нагрев и охлаждение в больших масштабах, например в спорткомплексах с искусственным катком и плавательным бассейном. Обычно общественные закрытые плавательные бассейны являются крупными потребителями энергии, особенно в условиях холодного климата. Годовое потребление энергии для общественных закрытых бассейнов составляет 14000 кВт.ч/м3 водяной поверхности. Необходимая температура воды около 30°С, а температура воздуха немного выше. Требуемая кратность вентиляции от 4 до 20 объемов в час [1]. Для использования тепла сбросного воздуха можно применить вращающиеся регенераторы, подогревающие входящий воздух с экономией энергии. Использование таких теплообменников становится общепринятым в бассейнах, однако они восстанавливают лишь часть тепла, содержащегося в сбросном воздухе. Содержание в нем влаги весьма велико, а большинство обычных систем восстановления тепла использует только явное тепло. Рекуперативные теплообменники способны конденсировать только часть влаги, и притом сравнительно малую. Восстановление скрытой теплоты можно значительно улучшить, применяя тепловые насосы, во многих случаях совместно с обычными системами восстановления тепла. Типичный пример теплонасосной установки для комплекса плавательных бассейнов в Честере (Англия). [1] Два плавательных бассейна образуют часть большого закрытого спортивного центра и потребляют большую часть энергии, подаваемой в здание с расчетной тепловой нагрузкой 2 МВт. Свежий воздух поступает в комплекс расходом 46 м3/с, из которых 21 м3/с подается в зал бассейна. Высокая кратность вентиляции минимизирует конденсацию в зале и прилегающих комнатах, а также уменьшет запах хлора, применяемого в целях стерилизации. Полная тепловая нагрузка 2 МВт складывается из нагрева воды в бассейне, горячей воды для душевых и отопления примыкающего служебного здания. Около 3/4 полного расхода тепла идет на вентиляцию, из них плавательный бассейн потребляет половину. В данном случае наиболее экономичным является применение замкнутого контура с промежуточным теплоносителем в вентиляционных каналах совместно с теплонасосной системой. Сбросной воздух, проходя мимо части замкнутого контура, предварительно охлаждается, отдавая долю скрытого тепла, а затем ещё охлаждается на 4° С в испарителе теплового насоса. Свежий воздух сначала нагревается второй половиной замкнутого контура, а затем догревается в конденсаторе теплового насоса. В общем тепловом балансе замкнутый контур возвращает около 400 кВт, а тепловой насос - немного более 1 МВт, оставляя сравнительно малую часть тепловой нагрузки для покрытия с помощью традиционных источников. Применение теплового насоса в плавательных бассейнах не ограничивается системами воздух-воздух. Фирма Sulzer, имеющая большой опыт в применении тепловых насосов в плавательных бассейнах, комбинирует ряд тепловых насосов, каждый из которых имеет свое назначение. Типичным примером может служить установка в Линденберге (см. рис. 2.1.1). Закрытый бассейн с водной поверхностью 315,5 м2 имеет температуру воздуха 30-32°С и температуру воды на 2°С ниже. Экономические и экологические аспекты использования энергоустановок на базе тепловых насосов Стоимость теплонасосной станции (ТНС) мощностью от 100 до 10000 кВт в странах Западной Европы составляет 600-700 долл/кВт, в то время как стоимость теплонасосов АО "Энергия" в том же диапазоне мощностей при приблизительно равной энергетической эффективности и сдаче объекта "под ключ" составляет 600-700 тыс. руб/кВт. Снижение себестоимости тепла, производимого на ТНС, по сравнению с традиционным теплоснабжением составило от 1,5 до 2,5 раз в зависимости от температуры низкопотенциального источника, а общая экономия топлива от всех запущенных в эксплуатацию ТНС составила около 32 тыс. т. у. т. Срок окупаемости у большинства ТНС не превышает двух лет [185]. Опыт эксплуатации ТНС в России показал, что из-за большей продолжительности отопительного периода по сравнению, например, с Западной Европой, а также значительно более острой проблемы транспорта топлива экономическая эффективность применения ТНС в России больше, чем в других странах. Доказана возможность применения озонобезопасных фреонов, в частности фреона 142 (R-142 в). Так, в Каунасе работает ТНС с винтовым компрессором единичной мощностью 2 МВт с рабочим телом R-142, хотя термодинамические свойства этого фреона потребовали неординарных решений при создании ТНС с винтовым компрессором [185]. Принимая удельный расход на выработку 1кВт*ч электроэнергии равным 300 г у.т., нетрудно, дать сравнительную оценку вредных выбросов за отопительный сезон (5448 ч) от различных теплоисточников тепловой мощностью 1,16 МВт (см. табл. 2.1.1.) [185]. Табл. 2.1.1.
Вредные выбросы при использовании теплового насоса - это выбросы в месте производства электроэнергии (за источник электроэнергии принята ТЭС); непосредственно же на месте установки тепловых насосов вредных выбросов нет. Такая ситуация наиболее благоприятна для рекреационных зон. Так, котельная на угле тепловой мощностью 1,16 МВт (1 Гкал/ч), работающая в курортной зоне Алтая - Белокурихе, за отопительный сезон (4880 ч) выбрасывает не менее 31 т вредных веществ. Тепловые насосы общей тепловой мощностью 1,2 МВт, установленные в радонолечебнице на сбросном тепле использованных радоновых вод с температурой 32’С, имеют среднегодовой коэффициент преобразования 7,2 и в самой Белокурихе вредных выбросов не производят. На ТЭС, расположенной в 70 км от курорта, вредные выбросы при производстве необходимой для этой ТНС электроэнергии в пересчете на 4,18 ГДж (1 Гкал) вырабатываемого ею тепла составят за отопительный сезон всего 4,31 т. Ниже приведены среднегодовые коэффициенты преобразования теплонасосных установок для Западно-Сибирского региона (отопительный период 5448 ч) в зависимости от температуры низкопотенциального источника: температура низкопотенциального источника, ° С.............................5 10 15 20 25 30 35 40 КОП среднегодовой ....3,6 4,1 4,6 5,3 5,9 6.6 , 7,2 7,9 При одинаковой теплопроизводительности, например 1 Гкал/ч (1,16 МВт), удельная экономия топлива при использовании ТНС составит по сравнению: с электроотоплением 0,277 - 0,335 т у.т.; с котельной на каменном угле (КПД = 0.65) 0,113 - 0,121 т у.т.; с котельной на природном газе (КПД = 0,8) 0,072-0,130 т у.т., где первое значение относится к использованию в теплонасосе низкопотенциального источника тепла с температурой 5° С, второе - с температурой 40° С [185].
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
отлично
1 