Источники теплоты для тепловых насосов

 

Применение тепловых насосов всегда требует не только затрат энергии на привод, но и дополнительных источников теплоты. Особый интерес представляют источники теплоты для тепловых насосов в тех случаях, когда рассматриваемые источники не могут использоваться обычными способами, т.е. температура которых ниже 50 ⁰С. К таким источникам теплоты относятся отобранная теплота и энергия окружающего пространства.

Окружающая среда представляет интерес как источник энергии тогда, когда его температурный уровень незначительно отличается от температуры, нужной потребителю, что, например, характерно для воздушного отопления помещений. Здесь в зависимости от времени года требуемая температура воздуха в помещении и источника энергии из окружающей среды обычно отличаются не более чем на 10-15 К, а в исключительных случаях- до 35 К.

Энергетический уровень окружающей среды зависит от места и времени. Содержание энергии в окружающем нас пространстве определяется главным образом солнечной радиацией, а так же геотермальной энергией и в значительной степени энергией отходящего тепла в результате преобразования энергии твердого и ядерного топлива. Часть солнечной энергии, попадающей на землю, в результате биологических процессов преобразуется в химически связанную энергию, которая затем постепенно в процессе сгорания выделяется в виде теплоты в окружающую среду. В качестве поглотителя потока энергии, излучаемого окружающей средой, выступает холодное, не отражающее энергию космическое пространство.

Источником энергии из окружающего пространства (энергоносителями) служат почва, грунтовые и поверхностные воды, воздух, растения и постройки. Температурное поле окружающей среды неоднородно по месту и времени как вне, так и внутри источников энергии. Такое неоднородное температурное поле возникает из-за дифференцированного распределения солнечной радиации на поверхности земли, зависящей не только от географических, но так же от различных атмосферных условий, особенно от облачности и атмосферных разрядов. Затененность, вызванная растениями и постройками, атмосферные течения и различные препятствия распространению теплового потока повышают неоднородность температурного поля. В зависимости от наличия препятствий распространению теплоты годовые и суточные колебания облучения и излучения поверхности земли в большой или меньшей мере влияют на источники энергии окружающей среды. Так же неравномерно поступает в окружающую среду отработанная теплота процессов преобразования энергии, что особенно заметно в промышленных зонах, городах и на электростанциях.

С помощью тепловых насосов можно использовать существующую повсеместно энергию окружающего пространства, прежде всего в целях отопления помещения. Однако эффективное использование тепловых насосов предусматривает учет целесообразных условий эксплуатации, связанных с температурным полем источников энергии.

Окружающий воздух весьма чувствителен к суточным и годовым температурным колебаниям, другие же источники энергии в зависимости от сопротивления ее распространению могут значительно слабее реагировать на эти факторы или вообще не ощущать их влияния. Таким образом, температурный уровень энергии окружающей среды зависит от различных внешних условий, влияющих друг на друга. При применении тепловых насосов не стремятся к непосредственному использованию энергии окружающей среды, являющейся малоэффективным источником, а стараются использовать источники с высоким температурным уровнем, чтобы достичь высокого коэффициента преобразования благодаря небольшой разности температур между источником тепла и теплоносителем установки.

Энергия глобального пространства и, соответственно, местной окружающей среды создается в основном двумя потоками энергии: солнечной радиацией и отработанной теплотой. Температурный уровень этих двух потоков при входе в пространство превышает температуру местной окружающей среды, поэтому рекомендуют использовать эти два потока энергии с температурным уровнем, превышающим температуру местной окружающей среды, для работы тепловых насосов, прежде чем их температура сравняется с окружающей средой.

Поскольку потребность в теплоте по времени не всегда соответствует количеству теплоты, имеющемуся в окружающей среде и доставляемому от высокотемпературных источников теплоты, целесообразно для уменьшения несоответствия применять низкотемпературные аккумуляторы. Использование таких аккумуляторов позволяет при относительно небольших потерях теплоты создать высокотемпературный тепловой источник, который можно использовать с высоким коэффициентом преобразования в необходимый момент и обеспечить периодический режим эксплуатации во время пиковых нагрузок.

Исходя из вышеизложенного, для улучшения условий использования энергии окружающей среды с применением тепловых насосов рекомендуется:

- использовать местные высокотемпературные источники энергии (например, грунтовые и поверхностные воды, грунт на определенной глубине);

- использовать внешние высокотемпературные потоки энергии перед выравниваем их температуры с температурой окружающей среды (например, солнечную радиацию с помощью коллекторов и абсорберов, отработанную теплоту с помощью теплообменников);

- аккумулировать и периодически использовать высокотемпературные источники окружающей среды в низкотемпературных аккумуляторах (например, сдвинутое по фазе использование грунтовых вод, грунтовых аккумуляторов, аккумуляторов сбросной воды).

Грунтовые воды - хороший аккумулятор солнечного тепла. Даже в холодные зимние дни они сохраняют постоянную темпера­туру +7 - + 12 ^оС. В этом их преимущество. По причине неизменного температурного уровня источника тепла коэффициент мощ­ности теплового насоса оста­ется высоким в течение всего года. К сожалению, не везде имеется достаточное коли­чество грунтовых вод надлежащего качест­ва. Но там, где выполняются необходимые условия, грунтовые воды стоит использовать.

В случае грунтовых вод, не содержащих кислорода, и с высоким содержанием железа и марганца колодцы могут разру­шаться. В этих случаях нельзя допускать контакта грунтовых вод с окружающим воздухом, или необходимо соответству­ющим образом обработать воду (VDI 4640).

Качество воды в общих чертах должно соответствовать приведенным предельным значениям, различа­ющимся в зависимости от материалов, используемых в теплообменнике: нержавеющая сталь (1.4401) и медь. Если соблюдаются эти предельные значения, то, как правило, можно ожидать, что при эксплуатации колодцев не будет каких-либо проблем.

 

Грунтовые зонды

Сейчас устанавливают преимущественно вертикальные грунтовые зонды на глубину 50 – 150 м. При этом возможны различные технические исполнения и технологии монтажа. Как правило, зонды состоят из полиэтиленовой трубы.

Рисунок 13. Установка с грунтовыми зондами

 

В большинстве случаев параллельно устанавливаются четыре трубы (зонд в форме двойной U-образной трубы). Рассол по двум трубам течет из распределителя вниз, а по двум другим трубам возвращается наверх к распределителю. Другой вариант - коаксиальные трубы («труба в трубе») с внутренней пластиковой трубой для подачи и с внешней пластиковой трубой для возврата рассола.

Грунтовые тепловые зонды (в зависимости от исполнения) забиваются копром или устанавливаются с помощью бурильной установки. Для этих установок должно быть получено разрешение в соответствии с водным правом.

Многочисленные тепловые насосные установки с грунтовыми тепловыми зондами работают уже в течение многих лет без каких-либо повреждений и пользуются все большей популярностью. Проведенные исследования показали, что при хороших гидрогеологических условиях, прежде всего, при наличии стока грунтовых вод, возможна моновалентная эксплуатация теплового насоса без длительного охлаждения грунта. Предпосылкой для проектирования и установки грунтовых тепловых зондов является точное знание свойств грунта, последовательности слоев, сопротивления грунта, а также наличие грунтовых или почвенных вод, и информация об уровне воды и направлении ее потока.