Тепловые насосные установки (ТНУ)

В качестве приоритетного направления более широкого использования нетрадиционных источников энергии наибольший интерес представляет область тепло-хладоснабжения, являющаяся сегодня одним из наиболее емких мировых потребителей топливно-энергетических ресурсов. Преимущества технологий тепло-хладоснабжения, использующих нетрадиционные источники энергии, в сравнении с их традиционными аналогами связаны не только со значительными сокращениями затрат энергии в системах жизнеобеспечения зданий и сооружений, но и с их экологической чистотой, а также новыми возможностями в области повышения степени автономности систем теплоснабжения. Представляется, что именно эти качества будут иметь определяющее значение в формировании конкурентной ситуации на рынке тепло-хладогенерирующего оборудования как в нашей стране, так и за рубежом.

Тепло-хладоснабжение с помощью тепловых насосов относится к области энергосберегающих экологически чистых технологий и получает всё большее распространение в мире. Эта технология по заключению целого ряда авторитетных международных организаций, наряду с другими энергосберегающими технологиями (использование солнечной, ветровой энергии, энергии Океана и т.п.), относится к технологиям XXI века.

В общем случае тепловой насос - это устройство, используемое для обогрева и охлаждения. Он работает по принципу передачи тепловой энергии от холодной среды к более теплой, в то время как естественным путём тепло перетекает из теплой области в холодную.

Таким образом, тепловой насос заставляет двигаться тепло в обратном направлении. Например, при обогреве дома тепло забирается из более холодного внешнего источника, и передается в дом. Для охлаждения (кондиционирования) дома тепло забирается из более теплого воздуха в доме и передается наружу. Тепловой насос в чём-то подобен обычному гидравлическому насосу, который перекачивает жидкость с нижнего уровня на верхний, тогда как в естественных условиях жидкость перетекает с верхнего уровня на нижний.

В основу принципа действия наиболее распространенных парокомпрессионных тепловых насосов положены два физических явления:

· поглощение и выделение тепла веществом при изменении агрегатного состояния - испарении и конденсации соответственно;

· изменение температуры испарения (и конденсации) при изменении давления.

Соответственно, основные элементы парокомпрессионного контура - теплообменник-испаритель, теплообменник-конденсатор, компрессор и дроссель. В испарителе рабочее тело, обычно хладон, находится под низким давлением и кипит при низкой температуре, поглощая теплоту низкопотенциального источника. Затем рабочее тело сжимается в компрессоре, приводимом в действие электрическим или иным двигателем, и поступает в конденсатор, где при высоком давлении конденсируется при более высокой температуре, отдавая теплоту испарения приёмнику тепла, например, теплоносителю системы отопления. Из конденсатора рабочее тело через дроссель вновь поступает в испаритель, где его давление снижается и снова начинается процесс кипения.

Тепловой насос может забирать тепло из нескольких источников, например, воздуха, воды или земли. И таким же образом он может сбрасывать тепло в воздух, воду или землю. Более теплая среда, воспринимающая тепло, называется теплоприёмником. В зависимости от типа источника и приёмника тепла испаритель и конденсатор могут выполняться как теплообменники типа «воздух-жидкость», так и «жидкость-жидкость».

Регулирование работы систем теплоснабжения с применением теплового насоса в большинстве случаев производится его включением и выключением по сигналам датчика температуры, установленного в приёмнике (при нагреве) или источнике (при охлаждении) тепла. Настройка теплового насоса обычно производится изменением сечения дросселя (терморегулирующего вентиля - ТРВ).

В зависимости от сочетания вида источника низкопотенциальной теплоты и нагреваемой среды тепловые насосы делятся на следующие типы:

· воздух - воздух;

· воздух - вода;

· грунт - воздух;

· грунт - вода;

· вода - воздух;

· вода - вода.

Эти типы тепловых насосов отличаются конструктивным исполнением теплообменной части (испарителя и конденсатора) и температурными режимами реализуемых термодинамических циклов.

Термодинамически тепловой насос представляет собой обращённую холодильную машину и, по аналогии, содержит испаритель, конденсатор и контур, осуществляющий термодинамический цикл. Основные типы термодинамических циклов - абсорбционный и, наиболее распространённый, парокомпрессионный. Если в холодильной машине основной целью является производство холода путём отбора теплоты из какого-либо объёма испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду, то в тепловом насосе картина обратная. Конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель - теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную теплоту: вторичные энергетические ресурсы и (или) нетрадиционные возобновляемые источники энергии.

Как и холодильная машина, тепловой насос потребляет энергию на реализацию термодинамического цикла (привод компрессора). Коэффициент преобразования теплового насоса - отношение теплопроизводительности к электропотреблению -зависит от уровня температур в испарителе и конденсаторе и колеблется в различных системах в диапазоне от 2,5 до 5, т.е. на 1 кВт затраченной электрической энергии тепловой насос производит от 2,5 до 5 кВт тепловой энергии. Температурный уровень теплоснабжения от тепловых насосов 35-55 °С. Экономия энергетических ресурсов достигает 70 %.

Промышленность технически развитых стран выпускает широкий ассортимент парокомпрессионных тепловых насосов тепловой мощностью от 5 до 1000 кВт.

Системы теплоснабжения с использованием тепловых насосов - теплонасосные системы теплоснабжения - могут быть применены для отопления, подогрева вентиляционного воздуха, нагрева воды для горячего водоснабжения и т. п.

В качестве низкопотенциальных (низкотемпературных) источников теплоты могут использоваться:

а) вторичные энергетические ресурсы:

теплота вентиляционных выбросов;

теплота серых канализационных стоков;

сбросная теплота технологических процессов и т.п.

б) нетрадиционные возобновляемые источники энергии:

теплота окружающего воздуха;

теплота грунтовых и геотермальных вод;

теплота водоёмов и природных водных потоков;

теплота солнечной энергии и т. п.

теплота поверхностных и более глубоких слоев грунта.

Следует учесть, что использование тепловых насосов для тепло-хладоснабжения с использованием ВЭР и НВИЭ представляет собой новую современную технологию и требует современных архитектурно-планировочных, конструктивных и инженерно-технологических решений по всему объекту в целом. ТСТ должна быть органично вписана в объект и рационально сопряжена с остальными инженерными системами объекта.

В ТНУ, как источника низкопотенциального тепла, можно использовать природный воздух, поверхностные реки, озера, подземные воды, грунт, отработанные в производственных процессах теплоносители (воздух, газы, жидкости). ТНУ, имея электропривод, возвращает затраченную на вращение электромотора электрическую энергию в виде низкопотенциального тепла – теплоноситель с температурой 40÷70°С, но в количестве в 2-3 раза больше – т.е. на 1 затраченный киловатт электрической энергии ТНУ возвращает от 2 до 6 киловатт тепловой энергии.

 

 

 

t_и = -5 ÷ +4 1 2 2 t_к = +40 ÷ +70

 

5 4

 

Рис. 2 Устройство и принцип работы теплового насоса

Схема компрессорного теплового насоса, работающего по замкнутому циклу, показана на схеме. В этой схеме, испаритель, с кипящим хладагентом (фреоном) с температурой кипения (-1)÷(-5)ºС, отбирает тепло из воды (воздуха, почвы) с температурами (+4)÷(+10)ºС.

В качестве хладона, в настоящее время, для ТНУ используют фреоны – производные метана – Ф-12, Ф-13, Ф-22, Ф-23, Ф-114, Ф-142 и их смеси. Наиболее безопасным и экологически чистым считается Ф-22 – дифтормонохлорметан (CHF₂Cl), имеющий температуру кипения при 0,1 мПа (1 атм) – t_s=-40,8ºС, и критическую температуру t_кр= +96ºС при Р_кр=5,03 Мпа. Имея один атом хлора, он выгодно отличается от Ф-12 (СF₂Cl₂), имеющего два атома хлора в своем составе, что резко снижает разрушение азонового слоя земли.

Чтобы оценить габариты ТНУ (конденсатор и испаритель) для рассчитанной нагрузки на объект, необходимо предварительно воспользоваться диаграммой P-i (давление-энтальпия), построив в ней цикл теплового насоса, работающего на Ф-22 (см. диаграмму P-i и таб.1 для Ф-22 в прил. 3) и определить тепло конденсации, которое через теплообменник (см. рис. 2) направляется сетевым насосом на нужды: отопление, вентиляцию, ГВС. Для лучшего восприятия материала эскиз диаграммы P-i представлен на рис. 3 В этой диаграмме, в соответствии с рис. 3 процесс 1-2 – адиабатная работа сжатия фреона в компрессоре; 2-3-4 – процесс конденсации фреона в конденсаторе при Р=const, с отдачей тепла конденсации воде в змеевике, которая затем используется в теплоснабжении; 4-5 – процесс дросселирования жидкого фреона в дроссельном клапане с давления в конденсаторе до давления в испарителе; 5-1 – процесс кипения фреона в испарителе при Р=const. Для кипения необходимо к фреону подводить тепло из окружающей среды.

Из курса термодинамики известно, что в процессах изобарных (Р=const), а также адиабатных (S=const) изменение энергии в процессе (тепла, работы) можно рассчитать как разность значений энтальпий начала и конца процесса.

Согласно рис. 3 на диаграмме P-I (давление-энтальпия) показаны процессы теплового насоса.

Рис. 3 Эскиз диаграммы P-i

Как видно из поясняющего рис. 2 и рабочей диаграммы P-I (рис.3) адиабатный процесс в компрессоре при S =const на 1 кг рабочего тела (фреона 22) можно рассчитать как [кДж/кг]; (2.17)

тепло конденсации, которое можно передать системе отопления –

[кДж/кг]; (2.18)

тепло на испарение (кипение) фреона в испарителе, которое отбирается из окружающей среды (воздуха, воды, грунта) –

[кДж/кг]. (2.19)

Процесс дросселирования фреона в регулирующем вентиле, как известно из курса термодинамики, идет при постоянной энтальпии - i=const.

В расчетах следует принимать:

а) Температуру начала конденсации (сбива перегрева фреона в конденсаторе), процесс 2-3, t_к= 85-90ºС при P =const. Процесс конденсации – 3-4, t_к= 65-70ºС при P =const.

б) Температуру кипения фреона в испарителе, процесс 5-1, t₀= 0-2ºС при P =const. Минимальная температура воздуха, воды, грунта должна быть не менее 4-5ºС.

Анализ работы ТНУ показывает, его эффективность может быть определена отношением:

= φ, (2.20)

где: φ - коэффициент преобразования, который равен отношению тепла, полученного в конденсаторе на отопление и ГВС к работе компрессора, на которую затрачивается очень дорогая электроэнергия. Чем больше этот коэффициент, тем эффективней ТНУ. Тепловой насос считается эффективным, если φ ≥ 2,8, т.е. на каждый затраченный кВт электроэнергии на привод компрессора, должно получиться более 2,8 кВт низкопотенциальной тепловой энергии. При указанных выше параметрах работы ТНУ на Фреоне -22, температура воды в отопительных приборах не превысит 50 ÷ 55ºС. Поэтому в случае использования пристенных батарей необходимо или увеличивать их поверхности или ставить дополнительный источник тепла (котельные агрегаты, электронагреватели, теплонакопители и т.п.). Как правило, при батарейном отоплении , коэффициент φ не превышает 4. При напольном и воздушном отоплении, когда необходимо снижать температуру конденсации и следовательно температуру воды в напольных системах отопления до 35-40ºС (процесс ТНУ при напольном отоплении показан как 1-2′-3′-4′-5′-1) коэффициент преобразования меняется в большую сторону и может превышать 5-6 единиц. Но в этом случае поверхность напольного отопления:

(2.21)

будет больше поверхности при батарейном отоплении, т.к. .

Оценка количества фреона, циркулирующего в системе [кг/с] может быть определена из балансового уравнения:

[кВт], откуда (2.22)

[кг/с]

Оценка габаритов ТНУ (конденсатор и испаритель) может быть получена из общего уравнения теплообмена:

(2.23)

Из этого уравнения поверхность конденсатора «фреон-вода»:

[м²], (2.24)

Где коэффициент теплопередачи по справочной литературе можно принять в пределах 400-500 Вт/м²ºС.

Температурный напор между фреоном и водой для отопления можно найти из следующего графика:

Рис. 4 График для определения температурного напора

Оценка габаритов испарителя ТНУ может быть получена из следующего уравнения теплообмена:

(2.25)

[м²], где коэффициент теплопередачи k [Вт/м²ºС], можно принять по справочнику в пределах 150-200 Вт/м²ºС.

Температурный напор между фреоном и природной водой (река, озеро и т.п.) находятся из следующего графика:

Рис. 5 График для определения температурного напора

В графике (рис.5) температуру природной воды можно принять постоянной t_в=const из-за бесконечного расхода, который мы можем организовать через испаритель насосной системой.

Выбрав диаметр змеевика (трубки) для циркуляции по ТНУ фреона (медная трубка) d = 10-20 мм) и зная поверхности конденсатора и испарителя, длина трубки аппарата определяется как:

[м]. (2.26)

Габариты теплообменного аппарата (змеевиковый, кожехотрубный, спиральный и т.п.) оценивается согласно выбранной конструкции по теории тепломассообмена.

2.3.4 Солнечные коллекторы. Преобразование солнечной энергии в тепловую.

Солнечная энергия (СЭ) исключительно чистый вид энергии, поэтому её использование прямо не связано с загрязнением окружающей среды, но ее использование затруднено на дне воздушного океана – очень малая средняя плотность – не более 200 Вт/м².

Интенсивность СЭ является функцией многих параметров – широты местности, времени года, времени суток, ориентации поверхности облучения, облачности и т.п. Так суммарная (прямая и рассеянная) средняя интенсивность СЭ на горизонтальную поверхность в пределах Астраханской области (≈ 46-48° с.ш., см. прил. СНиП 23-01-99) при безоблачном небе в июне месяце может достигать более 500 Вт/м², то в декабре, на той же широте она составит не более 200 Вт/м², т.е. в 2,5 раза меньше, причем время солнечного облучения зимой будет примерно в 2 раза короче. Средняя продолжительность солнечного сияния τ_с в месяц и коэффициент ясности за тот же месяц для Астраханской области приведен в таблице 2.

Таблица 2. Средняя продолжительность солнечного сияния τ_с в месяц, коэффициент ясности, угол установки коллектора для Астраханской области

Обозн.	№ месяца
τмес, ч/мес
kясн	0,24	0,32	0,44	0,57	0,65	0,71	0,69	0,72	0,68	0,56	0,38	0,22
β(30°)	2,14	1,71	1,42	1,1	1,07	1,02	1,04	1,13	1,3	1,56	1,96	2,31
β(45°)	2,86	1,99	1,49	1,17	1,0	0,92	0,95	1,08	1,33	1,74	2,47	3,27
β(60°)	3,13	2,07	1,45	1,09	0,89	0,8	0,84	0,99	1,26	1,76	2,66	3,64

 

Современные солнечные коллекторы, как правило, двухтрубные, вакуумные, селективные фирм «Сфинкс» (Франция), «Boch» и «Wolf» (Германия), «Sapun» (Китай) и др., характеристики которых можно найти на сайтах интернета, имеют достаточно высокие показатели эффективного оптического КПД – η₀ равного в пределах 0,85-0,9.

При расчете поверхности (м²) и количества солнечных коллекторов вышеназванных фирм можно следующими правилами.

При проектировании количества солнечных коллекторов для круглогодичного отопления и системы ГВС объекта, их оптическая поверхность (поверхность абсорбции коллекторов с тепловыми трубами) рассчитывается на основании данных СНиП 23-01-99, по суммарной солнечной радиации (прямой и рассеянной) на горизонтальную поверхность при безоблачном небе с учетом коэффициента ясности (см. табл. 2) для 46-48° с.ш. (Астраханская область). В этом случае коллекторы монтируются (крыша дома, во дворе и т.п.) под углом не менее 60 градусов к горизонту (см. рис. 6). В первом контуре, в который входят солнечные коллекторы, надо применять антифризы с температурой замерзания ниже температуры холодной пятидневки (см. СНиП 23-01-99).

 

 

 

 

60⁰

 

 

Рис. 6 Принципиальная схема системы солнечного теплоснабжения (ССТ).

Система ССТ включает три контура циркуляции:

- первый контур, состоящий из солнечных коллекторов 1, циркуляционного насоса 8 и жидкостного теплообменника 3;

- второй контур, состоящий из бака-аккумулятора 2, циркуляционного насоса 8 и теплообменника 3,

- третий контур, состоящий из бака-аккумулятора 2, циркуляционного насоса 8, водовоздушного теплообменника (калорифера) 5.

Функционирует ССТ следующим образом. Теплоноситель (антифриз) теплоприемного контура, нагреваясь в солнечных коллекторах 1, поступает в теплообменник 3, где теплота антифриза передается воде, циркулирующей в межтрубном пространстве теплообменника 3 под действием насоса 8 второго контура. Нагретая вода поступает в бак-аккумулятор 2.

Из бака-аккумулятора вода забирается насосом ГВС 8, доводится при необходимости до требуемой температуры в дублере 7 и поступает в систему ГВС здания. Подпитка бака-аккумулятора осуществляется из водопровода.

Для отопления вода из бака-аккумулятора 2 подается насосом третьего контура 8 в калорифер 5, через который с помощью вентилятора 9 пропускается воздух и, нагревшись, поступает в здание 4.

В случае отсутствия солнечной радиации или нехватки тепловой энергии, вырабатываемой солнечными коллекторами, в работу включается дублер 6.

Общую площадь (м²) коллекторов для систем отопления и ГВС можно определить по уравнению:

, [м²], где (2.27)

n = 1,2 – коэффициент запаса.

[кВт] – данные расчета. (2.28)

в долях, (2.29)

полный коэффициент энергетической эффективности коллектора, где:

= 0,85-0,9 – максимальный КПД самого трубчатого селективного или с тепловой трубой коллектора.

= 2÷3 Вт/м^{2 0}С – эффективный коэффициент теплопотерь в окружающую среду.

⁰С – (2.30)

средняя температура антифриза в солнечном коллекторе = 10-15 ⁰С, = 65-70⁰С.

, ⁰С – температура наружного воздуха = -5 ÷ -10 ⁰С.

, Вт/м² – интенсивность солнечного излучения за декабрь месяц по СНиП 23-01-99.

[Вт/м²], где (2.31)

, МДж/м² – суммарная солнечная радиация (прямая и рассеянная) на горизонтальную поверхность при безоблачном небе в декабре месяце.

– усредненный коэффициент ясности за декабрь месяц в Астраханской области (таб. 2)

, час/мес – общее количество часов в месяц светимости дневного активного солнца (включая облачную погоду).

– поправка на угол наклона солнечного коллектора к горизонту для южных районов Р.Ф. Для углов наклона коллектора к горизонту в 30, 45 и 60 градусов можно принять из таб. 2.

При проектировании солнечных коллекторов для систем только ГВС (весенне-летний-осенний период), необходимо ориентироваться на солнечное излучение на горизонтальную поверхность (СНиП 23-01-99) на март или октябрь (наименьшее излучение). Для данной схемы систем солнечного ГВС наклон батарей к горизонту не должен превышать 30 градусов (см. рис. 7)

 

30⁰

 

 

Рис. 7 Принципиальная схема системы солнечного горячего водоснабжения (ССГВ)

Работа ССГВ осуществляется следующим образом. Циркуляционный насос 5 прокачивает теплоноситель через солнечные коллекторы 1, где он, нагреваясь, отдает в теплообменнике 2 теплоту второго контура. Второй контур образован теплообменником 2, баком-аккумулятором 3 и насосом 5, соединенными между собой трубопроводом. Вода из бака аккумулятора 3 через дублер 4 поступает в систему горячей воды здания. Холодная вода для подпитки поступает в нижнюю часть бака аккумулятора из водопровода.

Общую площадь (м²) солнечных коллекторов для систем только ГВС (весенне-летний-осенний период) можно определить по уравнению:

, [м²], где (2.32)

n = 1,1 – коэффициент запаса.

, кВт – данные расчета.

в долях, (2.33)

полный коэффициент энергетической эффективности коллектора, где:

= 0,85-0,9 – максимальный КПД селективного коллектора.

= 1,5÷2,5 Вт/м^{2 0}С – эффективный коэффициент теплопотерь в окружающую среду.

⁰С – средняя температура антифриза в солнечном коллекторе = 15-20 ⁰С, = 70-75⁰С.

, ⁰С – температура наружного воздуха – средняя за выбранный месяц по СНиП 23-01-99

, Вт/м² – интенсивность солнечного излучения за декабрь месяц по СНиП 23-01-99.

[Вт/м²], где (2.34)

, МДж/м² – суммарная солнечная радиация (прямая и рассеянная) на горизонтальную поверхность при безоблачном небе за выбранный месяц.

– усредненный коэффициент ясности за выбранный месяц (таб. 2)

, час/мес – общее количество часов в месяц светимости дневного активного солнца (включая облачную погоду).

– поправка на угол наклона солнечного коллектора к горизонту, принять из таб. 2.